Analisis Variasi Karakteristik Respon Reflectivity dan Side Lobe Strength Serat Optik pada Filter Fiber Bragg Grating
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan akan informasi dan komunikasi berkembang signifikan sehingga
mendorong keinginan masyarakat untuk mendapatkan layanan telekomunikasi
yang canggih, efektif, dan efisien. Kebutuhan ini kemudian memicu
perkembangan teknologi yang pesat dan handal sebagai penunjang komunikasi.
Selama dekade terakhir ada banyak perkembangan ilmu dan teknologi di
bidang teknik telekomunikasi yang didasari oleh penemuan serat optik. Salah
satunya adalah teknik penjamakan. Serat optik memiliki beberapa keunggulan
antara lain memiliki bandwidth yang besar, redaman transmisi kecil, ukuran kecil,
dan tidak terpengaruh oleh gelombang elektromagnetik.
Pada komunikasi serat optik terdapat beberapa metode penjamakan, yang
dibedakan atas dasar penjamakannya yakni penjamakan waktu, frekuensi, dan
panjang gelombang. Teknik penjamakan waktu dikenal dengan Time Division
Multiplexing (TDM). Teknik penjamakan frekuensi dikenal dengan Frequency
Division Multiplexing (FDM), sedangkan teknik penjamakan yang memanfaatkan
panjang gelombang lebih dikenal dengan Wavelength Division Multiplexing
(WDM). WDM kemudian berkembang menjadi sistem Dense – WDM (DWDM)
dan Coarse – WDM (CWDM).
Pada teknik penjamakan panjang gelombang (WDM) secara khusus teknik
DWDM dikenal aplikasi sistem pembagi spektrum panjang gelombang.
Karakteristik kerja aplikasi sistem DWDM hampir sama dengan cara kerja sebuah
1
Universitas Sumatera Utara
filter sehingga dikategorikan sebagai filter. Terdapat beberapa filter pada DWDM
dan yang paling umum adalah Arrayed Waveguide Gratings (AWG) dan Fiber
Bragg Gratings (FBG). Sebelum ini, ada sebuah Tugas Akhir yang menganalisis
penerapan AWG[1], sehingga pada kesempatan kali ini penulis mencoba
menganalisis karakteristik respon dan optimasi filter optik FBG pada DWDM.
FBG adalah filter spektral yang didasarkan pada prinsip pemantulan Bragg.
Gratings atau kisi-kisi ini merefleksikan sinar berupa panjang gelombang melalui
sebuah rentang sempit dan mentransimisikan sisa panjang gelombang lainnya.
Ketika sinar berpropagasi secara periodik di antara indeks bias yang lebih tinggi
maupun lebih rendah, maka pemantulannya pun akan terbagi. Jika periode kisi
dirancang secara tepat, maka semua pantulan yang terbagi akan menyatu sefasa
dan pemantulannya akan mendekati sempurna (100%), bahkan jika pantulanpantulan tersebut masing-masing sangat kecil. Kondisi dengan pemantulan
sempurna atau tinggi ini dikenal sebagai Kondisi Bragg.
Dalam Tugas Akhir ini diterapkan teknik apodisasi dengan berbagai fungsi
pada kurva pemantulan yakni fungsi Gaussian, Raised-cosine, dan Synchronous
untuk mengoptimasi besaran karakteristik respon pemantulan (r) dan lobe sisi.
Panjang gelombang Bragg ( B) berubah dengan perubahan periode kisi
sehingga FBG bisa menjadi sensor, laser, maupun filter yang peka terhadap
perubahan-perubahan parameter-parameter fisik lainnya. Oleh karena itu, di
dalam Tugas Akhir ini penulis mencoba untuk menentukan nilai yang optimal dari
besaran panjang kisi (L) dan periode kisi (Λ) yang berpengaruh terhadap tingkat
pemantulan dan menganalisis fungsi-fungsi apodisasi yang diterapkan pada
visualisasi kurva pemantulan dengan bantuan Matlab R2010a.
2
Universitas Sumatera Utara
1.2 Rumusan Masalah
Karakteristik respon FBG yakni pemantulan (R) tinggi dan lobe sisi minimum
diharapkan diperoleh dari pemodelan dan karakterisasi Fiber Bragg Grating.
Parameter-parameter penting yang berkontribusi terhadap performansi sebuah
FBG yang dalam hal ini terwakili oleh kedua karakteristik respon tersebut adalah
panjang kisi dan perbedaan periode kisi. Analisis dilakukan dengan cara
memberikan variasi besaran baik panjang kisi maupun periode kisi. Dari latar
belakang di atas, maka rumusan masalah dari Tugas Akhir ini dirancang sebagai
berikut :
1. Bagaimana prinsip kerja dari aplikasi sistem FBG pada sistem DWDM.
2. Bagaimana menghitung tingkat pemantulan (R) pada FBG.
3. Bagaimana hasil pengamatan kekuatan lobe sisi pada kurva pantul.
4. Bagaimana kurva pemberian variasi respon karakteristik yaitu masukan
periode kisi (Λ) dan panjang kisi (L) terhadap tingkat pemantulan (R)
5. Bagaimana optimasi pemantulan dan kekuatan lobe sisi setelah penerapan
fungsi-fungsi apodisasi.
1.3 Tujuan Penulisan
Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan untuk menentukan rentang optimal
besaran karakteristik respon yakni panjang kisi (L) dan periode kisi (Λ) yang
berkontribusi terhadap tingkat pemantulan (R) dan fungsi apodisasi yang optimal
untuk mengurangi lobe sisi.
3
Universitas Sumatera Utara
1.4 Batasan Masalah
Mengingat luas dan kompleksnya ruang lingkup yang terkait dan tercakupi,
maka untuk lebih mengarahkan pembahasan perlu dilakukan pembatasan sebagai
berikut:
1. Membahas tentang FBG sebagai filter dalam bidang komunikasi serat optik.
2. Tidak membahas rangkaian elektronik yang membangun sistem FBG.
3. Tidak membahas jenis-jenis material serta fabrikasi FBG dan perbedaan
karakteristiknya.
4. Hanya membahas untuk transmisi serat mode tunggal.
5. Menganalisis pemberian variasi panjang kisi (L) dan periode kisi (Λ) yang
berbeda terhadap tingkat pemantulan (R) dan pengurangan lobe sisi pada
filter FBG dengan tiga fungsi apodisasi yakni Gaussian, Raised-cosine, dan
Synchronous.
1.5 Metodologi Penulisan
Metodologi penelitian yang digunakan dalam menyusun Tugas Akhir ini
adalah sebagai berikut :
1. Studi Pustaka
Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan lain
yang terkait, masukan dan saran dari tugas-tugas akhir sebelumnya, serta dari
layanan internet berupa jurnal-jurnal penelitian untuk dijadikan sebagai acuan
dan referensi guna membantu penyelesaian Tugas Akhir ini.
4
Universitas Sumatera Utara
2. Analisis Matematis
Metode ini dimulai melakukan perhitungan dan analisis terhadap data-data
yang ada maupun data-data asumsi dan kemudian diolah untuk melihat
keterkaitan satu sama lain antar parameter.
a. Menentukan parameter-parameter penentu unjuk kerja aplikasi sistem
Fiber Bragg Grating yang menjadi masukan seperti panjang kisi (L) dan
periode kisi (Λ).
b. Memberikan harga-harga asumsi untuk beberapa variabel, seperti indeks
bias efektif (neff), indeks bias terinduksi, jari-jari inti serat, jumlah kisi,
indeks modulasi, dan fringe visibility.
c. Menghitung refleksivitas (r) dengan parameter-parameter unjuk kerja FBG
dengan memberi masukan yang bervariasi pada harga L (panjang kisi) di
sepanjang panjang gelombang Bragg ( B) yang memiliki nilai periode kisi
yang berbeda-beda.
d. Mengamati lobe sisi dengan memberi variasi pada panjang kisi (L) dan
menentukan harga periode kisi melalui visualisasi kurva pemantulan
dengan teknik apodisasi, yang mempunyai tiga fungsi apodisasi.
3.
Visualisasi Kurva Pemantulan dengan fungsi-fungsi Apodisasi. Fungsifungsi apodisasi yang divisualisasikan antara lain adalah apodisasi
Gaussian, Raised-cosine, dan Synchronous yang masing-masing dinyatakan
dalam fungsi matematis yang disederhanakan.
5
Universitas Sumatera Utara
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk memberikan gambaran mengenai tulisan ini, secara singkat dapat
diuraikan sistematika pembahasan sebagai berikut:
Bab I
Pendahuluan
Bab ini menguraikan latar belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan,
batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan.
Bab II Dasar Teori
Pada bab ini akan diuraikan mengenai teori Fiber Bragg Grating, teori
mode-tergandeng,metode transfer matriks, teori apodisasi, karakterisasi
respon Fiber Bragg Grating, dan parameter penentu pemantulan (R) dan
kekuatan lobe sisi.
Bab III Metode Penelitian
Bab ini membahas pemodelan, karakterisasi, dan optimasi karakteristik
respon pada Filter Fiber Bragg Grating
Bab IV Simulasi dan Analisis Pemberian Variasi Karakteristik Respon pada
Filter Fiber Bragg Grating
Bab ini akan membahas langkah-langkah dalam membuat alat bantu
hitung sederhana dengan menggunakan software Matlab (release 2010a)
dan membahas analisis perhitungan karakteristik respon berdasarkan
variasi panjang kisi dan periode kisi.
Bab V
Penutup
Bab ini berisikan kesimpulan dan saran dari pembahasan pada bab-bab
sebelumnya.
6
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kebutuhan akan informasi dan komunikasi berkembang signifikan sehingga
mendorong keinginan masyarakat untuk mendapatkan layanan telekomunikasi
yang canggih, efektif, dan efisien. Kebutuhan ini kemudian memicu
perkembangan teknologi yang pesat dan handal sebagai penunjang komunikasi.
Selama dekade terakhir ada banyak perkembangan ilmu dan teknologi di
bidang teknik telekomunikasi yang didasari oleh penemuan serat optik. Salah
satunya adalah teknik penjamakan. Serat optik memiliki beberapa keunggulan
antara lain memiliki bandwidth yang besar, redaman transmisi kecil, ukuran kecil,
dan tidak terpengaruh oleh gelombang elektromagnetik.
Pada komunikasi serat optik terdapat beberapa metode penjamakan, yang
dibedakan atas dasar penjamakannya yakni penjamakan waktu, frekuensi, dan
panjang gelombang. Teknik penjamakan waktu dikenal dengan Time Division
Multiplexing (TDM). Teknik penjamakan frekuensi dikenal dengan Frequency
Division Multiplexing (FDM), sedangkan teknik penjamakan yang memanfaatkan
panjang gelombang lebih dikenal dengan Wavelength Division Multiplexing
(WDM). WDM kemudian berkembang menjadi sistem Dense – WDM (DWDM)
dan Coarse – WDM (CWDM).
Pada teknik penjamakan panjang gelombang (WDM) secara khusus teknik
DWDM dikenal aplikasi sistem pembagi spektrum panjang gelombang.
Karakteristik kerja aplikasi sistem DWDM hampir sama dengan cara kerja sebuah
1
Universitas Sumatera Utara
filter sehingga dikategorikan sebagai filter. Terdapat beberapa filter pada DWDM
dan yang paling umum adalah Arrayed Waveguide Gratings (AWG) dan Fiber
Bragg Gratings (FBG). Sebelum ini, ada sebuah Tugas Akhir yang menganalisis
penerapan AWG[1], sehingga pada kesempatan kali ini penulis mencoba
menganalisis karakteristik respon dan optimasi filter optik FBG pada DWDM.
FBG adalah filter spektral yang didasarkan pada prinsip pemantulan Bragg.
Gratings atau kisi-kisi ini merefleksikan sinar berupa panjang gelombang melalui
sebuah rentang sempit dan mentransimisikan sisa panjang gelombang lainnya.
Ketika sinar berpropagasi secara periodik di antara indeks bias yang lebih tinggi
maupun lebih rendah, maka pemantulannya pun akan terbagi. Jika periode kisi
dirancang secara tepat, maka semua pantulan yang terbagi akan menyatu sefasa
dan pemantulannya akan mendekati sempurna (100%), bahkan jika pantulanpantulan tersebut masing-masing sangat kecil. Kondisi dengan pemantulan
sempurna atau tinggi ini dikenal sebagai Kondisi Bragg.
Dalam Tugas Akhir ini diterapkan teknik apodisasi dengan berbagai fungsi
pada kurva pemantulan yakni fungsi Gaussian, Raised-cosine, dan Synchronous
untuk mengoptimasi besaran karakteristik respon pemantulan (r) dan lobe sisi.
Panjang gelombang Bragg ( B) berubah dengan perubahan periode kisi
sehingga FBG bisa menjadi sensor, laser, maupun filter yang peka terhadap
perubahan-perubahan parameter-parameter fisik lainnya. Oleh karena itu, di
dalam Tugas Akhir ini penulis mencoba untuk menentukan nilai yang optimal dari
besaran panjang kisi (L) dan periode kisi (Λ) yang berpengaruh terhadap tingkat
pemantulan dan menganalisis fungsi-fungsi apodisasi yang diterapkan pada
visualisasi kurva pemantulan dengan bantuan Matlab R2010a.
2
Universitas Sumatera Utara
1.2 Rumusan Masalah
Karakteristik respon FBG yakni pemantulan (R) tinggi dan lobe sisi minimum
diharapkan diperoleh dari pemodelan dan karakterisasi Fiber Bragg Grating.
Parameter-parameter penting yang berkontribusi terhadap performansi sebuah
FBG yang dalam hal ini terwakili oleh kedua karakteristik respon tersebut adalah
panjang kisi dan perbedaan periode kisi. Analisis dilakukan dengan cara
memberikan variasi besaran baik panjang kisi maupun periode kisi. Dari latar
belakang di atas, maka rumusan masalah dari Tugas Akhir ini dirancang sebagai
berikut :
1. Bagaimana prinsip kerja dari aplikasi sistem FBG pada sistem DWDM.
2. Bagaimana menghitung tingkat pemantulan (R) pada FBG.
3. Bagaimana hasil pengamatan kekuatan lobe sisi pada kurva pantul.
4. Bagaimana kurva pemberian variasi respon karakteristik yaitu masukan
periode kisi (Λ) dan panjang kisi (L) terhadap tingkat pemantulan (R)
5. Bagaimana optimasi pemantulan dan kekuatan lobe sisi setelah penerapan
fungsi-fungsi apodisasi.
1.3 Tujuan Penulisan
Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan untuk menentukan rentang optimal
besaran karakteristik respon yakni panjang kisi (L) dan periode kisi (Λ) yang
berkontribusi terhadap tingkat pemantulan (R) dan fungsi apodisasi yang optimal
untuk mengurangi lobe sisi.
3
Universitas Sumatera Utara
1.4 Batasan Masalah
Mengingat luas dan kompleksnya ruang lingkup yang terkait dan tercakupi,
maka untuk lebih mengarahkan pembahasan perlu dilakukan pembatasan sebagai
berikut:
1. Membahas tentang FBG sebagai filter dalam bidang komunikasi serat optik.
2. Tidak membahas rangkaian elektronik yang membangun sistem FBG.
3. Tidak membahas jenis-jenis material serta fabrikasi FBG dan perbedaan
karakteristiknya.
4. Hanya membahas untuk transmisi serat mode tunggal.
5. Menganalisis pemberian variasi panjang kisi (L) dan periode kisi (Λ) yang
berbeda terhadap tingkat pemantulan (R) dan pengurangan lobe sisi pada
filter FBG dengan tiga fungsi apodisasi yakni Gaussian, Raised-cosine, dan
Synchronous.
1.5 Metodologi Penulisan
Metodologi penelitian yang digunakan dalam menyusun Tugas Akhir ini
adalah sebagai berikut :
1. Studi Pustaka
Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku dan tulisan-tulisan lain
yang terkait, masukan dan saran dari tugas-tugas akhir sebelumnya, serta dari
layanan internet berupa jurnal-jurnal penelitian untuk dijadikan sebagai acuan
dan referensi guna membantu penyelesaian Tugas Akhir ini.
4
Universitas Sumatera Utara
2. Analisis Matematis
Metode ini dimulai melakukan perhitungan dan analisis terhadap data-data
yang ada maupun data-data asumsi dan kemudian diolah untuk melihat
keterkaitan satu sama lain antar parameter.
a. Menentukan parameter-parameter penentu unjuk kerja aplikasi sistem
Fiber Bragg Grating yang menjadi masukan seperti panjang kisi (L) dan
periode kisi (Λ).
b. Memberikan harga-harga asumsi untuk beberapa variabel, seperti indeks
bias efektif (neff), indeks bias terinduksi, jari-jari inti serat, jumlah kisi,
indeks modulasi, dan fringe visibility.
c. Menghitung refleksivitas (r) dengan parameter-parameter unjuk kerja FBG
dengan memberi masukan yang bervariasi pada harga L (panjang kisi) di
sepanjang panjang gelombang Bragg ( B) yang memiliki nilai periode kisi
yang berbeda-beda.
d. Mengamati lobe sisi dengan memberi variasi pada panjang kisi (L) dan
menentukan harga periode kisi melalui visualisasi kurva pemantulan
dengan teknik apodisasi, yang mempunyai tiga fungsi apodisasi.
3.
Visualisasi Kurva Pemantulan dengan fungsi-fungsi Apodisasi. Fungsifungsi apodisasi yang divisualisasikan antara lain adalah apodisasi
Gaussian, Raised-cosine, dan Synchronous yang masing-masing dinyatakan
dalam fungsi matematis yang disederhanakan.
5
Universitas Sumatera Utara
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk memberikan gambaran mengenai tulisan ini, secara singkat dapat
diuraikan sistematika pembahasan sebagai berikut:
Bab I
Pendahuluan
Bab ini menguraikan latar belakang, rumusan masalah, tujuan penulisan,
batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan.
Bab II Dasar Teori
Pada bab ini akan diuraikan mengenai teori Fiber Bragg Grating, teori
mode-tergandeng,metode transfer matriks, teori apodisasi, karakterisasi
respon Fiber Bragg Grating, dan parameter penentu pemantulan (R) dan
kekuatan lobe sisi.
Bab III Metode Penelitian
Bab ini membahas pemodelan, karakterisasi, dan optimasi karakteristik
respon pada Filter Fiber Bragg Grating
Bab IV Simulasi dan Analisis Pemberian Variasi Karakteristik Respon pada
Filter Fiber Bragg Grating
Bab ini akan membahas langkah-langkah dalam membuat alat bantu
hitung sederhana dengan menggunakan software Matlab (release 2010a)
dan membahas analisis perhitungan karakteristik respon berdasarkan
variasi panjang kisi dan periode kisi.
Bab V
Penutup
Bab ini berisikan kesimpulan dan saran dari pembahasan pada bab-bab
sebelumnya.
6
Universitas Sumatera Utara