Optimalisasi Pembangkitan Tunable Gelombang Mikro Menggunakan Optical Amplifier pada DFB Laser

4

BAB 2
LANDASAN TEORI

2.1.

Gelombang Elektromagnetik

Gelombang merupakan getaran yang merambat secara kontinu dengan bentuk
yang tetap pada kecepatan konstan secara periodik. Dalam gejala penyerapan,
gelombang akan mengecil saat bergerak, apabila mediumnya memiliki sifat
dispersif atau penghambur, maka frekuensi dan kecepatannya akan berbeda,
dalam dua ataupun tiga dimensi dan amplitudo gelombang tersebut juga akan
berkurang selama penyebaran (Griffiths, 1999).
Gelombang elektromagnetik tidak memerlukan bahan sebagai medium
perambatannya. Spektrum gelombang elektromagnetik dapat digolongkan
berdasarkan panjang gelombang atau frekuensinya. Gambar 2.1. memperlihatkan
spektrum gelombang elektromagnetik terdiri atas gelombang radio, gelombang
mikro, inframerah, cahaya tampak, ultraviolet, sinar X, dan sinar Gamma.

Gambar 2.1. Spektrum Gelombang Elektromagnetik
(Young & Freedman, 2008)
Gelombang elektromagnetik memiliki kecepatan perambatan yang sama
pada ruang hampa, yakni c = 299.792.458 m/s meskipun banyak perbedaan
bentuk maupun sumber penghasilnya. Gelombang elektromagnetik dapat
memiliki frekuensi (f) dan panjang gelombang ( ) berbeda, hubungan c = .f
dalam ruang vakum berlaku untuk seluruhnya (Young & Freedman, 2008).

Universitas Sumatera Utara

5

2.2.

Frekuensi Gelombang Mikro

Gelombang mikro adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang
berkisar 104

m sampai 106 m. Rentang frekuensinya adalah 300 MHz hingga

30 GHz. Gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang berkisar antara
1 sampai 10 mm disebut gelombang milimeter (Collin, 1992). Tabel 2.1.
menunjukkan jenis-jenis frekuensi band gelombang mikro berdasarkan nilai
frekuensi yang dimiliki.
Tabel 2.1. Frekuensi Band Gelombang Mikro
Microwave band designation
Frequency

Old

New

500 – 1000 MHz

VHF

C

1 – 2 GHz

L

D

2 – 3 GHz

S

E

3 – 4 GHz

S

F

4 – 6 GHz

G

G

6 – 8 GHz

C

H

8 – 10 GHz

X

I

10 – 12,4 GHz

X

J

12.4 – 18 GHz

Ku

J

18 – 20 GHz

K

J

20 – 26,5 GHz

K

8

26,5 – 40 GHz

Ka

K

Sumber: Collin, 1992
Perhatian yang besar pada frekuensi gelombang mikro muncul karena
berbagai alasan, diantaranya adalah kebutuhan yang semakin meningkat akan
pemanfaatan yang lebih dari spektrum frekuensi radio untuk penggunaaannya
dimana frekuensi gelombang mikro dapat diterapkan. Gelombang mikro hampir
identik dengan RADAR (Radio Detection and Ranging) karena sistem gelombang
mikro digunakan dalam berbagai penggunaan yang bervariasi. (Collin, 1992).

Universitas Sumatera Utara

6

2.3.

Superposisi Dua Gelombang, Beats

Misalkan gelombang I memiliki amplitudo A, frekuensi �1 dan bilangan
gelombang k1. Gelombang II dengan amplitudo A, frekuensi �2, dan bilangan

gelombang k2. Kedua gelombang sinusoidal tersebut merambat dalam arah x
positif pada medium yang sama, dapat ditemukan jika hubungan antara � dan k

diketahui. Superposisi atau Penjumlahan dua gelombang tersebut dapat
dirumuskan menjadi
f (x, ) =A sin(

kita tahu bahwa untuk

dan
sin

1�

− �1 ) + sin⁡
( 2 � − �2 )

+ sin

= 2 sin

+
2

−

cos

(2.1)

(2.1.a)

2

� +� �– � +� �

f (x, ) = 2A sin

1− 2

× cos

� – �1 − �2

(2.1.b)

2

Jika �1 dan �2 persis sama, kemudian k1 dan k2 juga demikian, sehingga
− �1 )

(2.2)

�1= �2 + ∆�, ∆� kecil.

(2.3)

f (x, ) = 2A sin(

1�

atau amplitudonya menjadi dua kali lipat. sekarang mari kita pertimbangkan kasus
di mana �1 dan �2 berbeda, sehingga
Dengan cara yang sama, didapatkan

1=

2

Kemudian
f (x, ) = 2A sin(

karena

Dan

1�

+ ∆ , ∆ kecil.
− �1 ) cos

∆

2

(2.4)

�−

∆�
2

(2.5)

�1 + �2 2�1 − ∆�
=
≅ �1
2
2
1

+
2

2

=

2

1

−∆
≅
2

1

Universitas Sumatera Utara

7

Pada t = 0, maka persamaan 2.5 akan menjadi
1�

f (x, 0) = 2A sin

cos

∆

2

�

(2.6)

karena ∆ ≪ , panjang gelombang yang terkait dengan ∆ /2
=

Dihubungkan ke k1 menjadi

�

(2.7)

∆�/

=

2�

(2.7.a)

1

Sehingga fungsi yang merupakan hasil dari dua fungsi sinusoidal ditunjukkan
pada Gambar 2.2

Gambar 2.2. Beats Frequency (terbentuk clumps).
(http://www.wonderwhizkids.com)
Riak yang bagus dari propagasi gelombang pendek dengan kecepatan fase.
�1
=
1

Faktor determinansi dapat ditulis
cos
Merambat dengan kecepatan

∆�
∆
�−
2
2

∆� 2 ∆�
=
∆ 2 ∆

dengan membuat ∆� dan ∆ cukup kecil, ∆� ∆ mendekati kecepatan grup
=

�

(2.8)

Universitas Sumatera Utara

8

Clumps dibentuk oleh beberapa gelombang pendek mungkin tepat disebut

kelompok gelombang, dan clumps ini merambat dengan kecepatan grup, yang
dapat berbeda dari kecepatan fase untuk gelombang dispersif.

Gambar 2.3. Beats yang disebabkan oleh superposisi dari dua gelombang dengan
frekuensi yang berbeda
(http://www.a-levelphysicstutor.com)

Superposisi dari dua gelombang dengan frekuensi yang berbeda
menghasilkan fenomena penting yang disebut beats. (Gambar 2.3). Koordinat
spasial persamaan 2.5 pada x = 0 akan menjadi
f (0, ) = −2A sin �1 cos

∆�

(2.9)

2

yang menunjukkan bahwa osilasi amplitudo dari frekuensi tinggi (�1) dimodulasi
yang diatur perlahan (∆� ≪ �1) fungsi sinusoidal, cos (∆� /2). Clumps muncul
setiap 2�/∆� = 1/∆

sekon. Jadi dalam kasus gelombang suara, misalnya,

seseorang mendengar intensitas suara akan naik dan turun dengan frekuensi
∆ =

∆�
2�

=

1

−

(2.10)

2

Intensitas modulasi dikenal sebagai beats. (Akira Hirose, 1985)

2.4.

LASER (Light Amplification by Stimuled Emission of Radiation )

2.4.1. Definisi Umum Laser
Laser

merupakan

mekanisme

suatu

alat

yang

memancarkan

radiasi

elektromagnetik, biasanya dalam bentuk cahaya yang tidak dapat dilihat maupun
dapat lihat dengan mata normal, melalui proses pancaran terstimulasi. Pancaran
laser biasanya tunggal, memancarkan foton dalam pancaran koheren. Laser juga

Universitas Sumatera Utara

9

dapat dikatakan efek dari mekanika kuantum. Dalam teknologi laser, cahaya yang
koheren menunjukkan suatu sumber cahaya yang memancarkan panjang
gelombang yang diidentifikasi dari frekuensi yang sama, beda fase yang konstan
dan polarisasinya. (Desy, 2013)
Teori kuantum menyatakan bahwa elektron hanya bisa eksis dalam
keadaan energi diskrit ketika penyerapan atau emisi cahaya disebabkan oleh
transisi elektron dari satu tingkat energi ke tingkat energi yang lain. Frekuensi
yang diserap atau emisi radiasi f berkaitan dengan perbedaan energi antara tingkat
energi yang lebih tinggi E2 dan tingkat energi yang lebih rendah E1 dengan
persamaan Planck sehingga
=

2

−

1

=

(2.11)

dimana h = 6.626 × 10-34 Js adalah konstanta Planck. Dalam sebuah atom,
keadaan energi sesuai dengan tingkat energi elektron terhadap inti, yang biasanya
ditandai sebagai keadaan dasar. Umumnya, tingkat energi dapat mewakili energi
atom eksitasi, molekul (dalam laser gas) atau pembawa seperti elektron atau
lubang dalam semikonduktor.
Istilah foton selalu digunakan untuk menggambarkan paket energi diskrit
yang dilepaskan atau diserap oleh sistem ketika ada interaksi antara cahaya dan
materi. Misalkan sebuah energi foton (

2

−

1)

adalah cahaya datang pada sistem

atom seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 dengan dua tingkat energi
sepanjang arah z longitudinal. Elektron ditemukan di tingkat energi yang lebih
rendah E1 dapat tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi E2 melalui
penyerapan foton yang datang. Proses ini disebut penyerapan induksi.
Sistem dua tingkat ini jikalau dianggap sebagai sistem tertutup, hasil
proses penyerapan induksi kehilangan energi. Atau, sebuah elektron awalnya
ditemukan awalnya tingkat energi yang lebih tinggi E2 dapat dirangsang oleh
foton untuk melompat kembali ke tingkat energi yang lebih rendah. Suatu
perubahan energi akan menyebabkan pelepasan foton tunggal pada frekuensi f
menurut persamaan Planck.

Universitas Sumatera Utara

10

Gambar 2.4. Mekanisme rekombinasi yang berbeda ditemukan dalam sistem dua
level energi (H. Ghafouri Shiraz, 2003)
Proses ini disebut emisi terstimulasi. Foton dipancarkan yang dibuat
dengan menstimulasi emisi yang memiliki frekuensi sama sebagai inisiator yang
datang. Selain itu, cahaya keluaran berhubungan dengan foton yang datang dan
stimulasi foton dengan berbagi fase dan keadaan polarisasi yang sama. Dengan
cara ini, radiasi koheren dicapai. Bertentangan dengan proses penyerapan, ada
kelebihan energi untuk emisi terstimulasi.
Selain penyerapan induksi dan emisi terstimulasi, ada jenis lain dari
transisi dalam sistem dua tingkat. Sebuah elektron dapat melompat dari keadaan
energi yang lebih tinggi E2 ke keadaan energi yang lebih rendah E1 tanpa adanya
foton yang datang. Jenis transisi ini disebut emisi spontan. Sama seperti emisi
terstimulasi, akan ada kelebihan energi pada output sistem. Namun, emisi spontan
adalah proses acak dan foton keluaran menunjukkan variasi dalam fase dan
keadaan polarisasi. Radiasi non koheren ini diciptakan oleh emisi spontan yang
penting untuk karakteristik kebisingan (noise) di laser semikonduktor. (H.
Ghafouri Shiraz, 2003)
Dalam penelitian skripsi ini, laser yang digunakan adalah laser
semikonduktor jenis DFB (Distributed Feedback) yang beroperasi pada panjang
gelombang 1550 nm yang berfungsi sebagai sumber pembangkit frekuensi
gelombang mikro.

Universitas Sumatera Utara

11

2.4.2. Generasi dan Rekombinasi pada Kesetimbangan Thermal
Eksitasi termal elektron dari pita valensi ke pita konduksi menghasilkan generasi
pasangan elektron-lubang (Gambar 2.5). Kesetimbangan termal mengharuskan
proses generasi ini disertai dengan proses sebaliknya (de-eksitasi) secara
bersamaan. Proses ini disebut rekombinasi elektron-lubang, terjadi ketika sebuah
elektron meluruh dari pita konduksi untuk mengisi lubang di pita valensi.
Energi yang dilepaskan oleh elektron berupa foton yang dipancarkan,
dalam hal ini disebut rekombinasi radiasi. Rekombinasi non radiasi dapat terjadi
melalui sejumlah proses, termasuk transfer energi untuk getaran kisi (menciptakan
satu atau lebih fonon) atau elektron bebas lain (proses Auger).
Rekombinasi juga dapat terjadi secara tidak langsung melalui perangkap
(traps) atau pusat cacat (defect centers). Ini adalah tingkat energi yang terkait
dengan impuriti atau cacat karena dislokasi, atau ketidaksempurnaan kisi lainnya,
yang terletak di dalam celah pita energi. Pengotor atau keadaan cacat dapat
bertindak sebagai pusat rekombinasi jika ia mampu menjebak kedua elektron dan
lubang, sehingga meningkatkan kemungkinan mereka bergabung kembali. Hasil
rekombinasi ini mungkin radiasi atau non radiasi.

(a)

(b)

Gambar 2.5. (a) Generasi dan rekombinasi elektron-lubang, (b) Rekombinasi
elektron-lubang melalui trap (Bahaa E. A. Saleh, 1991)

2.5.

Laser Semikonduktor (Laser Dioda)

Laser

semikonduktor,

proses

lasing

terjadi

didalam

sambungan

dioda

semikonduktor. Untuk mendapatkan aksi laser, semikonduktor tipe-P sebagai

Universitas Sumatera Utara

12

pembawa muatan positif atau hole dan tipe-N sebagai pembawa muatan negatif
atau elektron harus melakukan generasi dan rekombinasi. Pada arus panjar nol,
suatu daerah pengosongan (depletion zone) memisahkan kedua bagian.
Rekombinasi terjadi secara kontinu dalam semikonduktor jika diberikan tegangan
luar dari kristal pembentuk semikonduktor, seperti pada Gambar 2.6.a.
Arus panjar maju (forward panjar ) yang cukup diberikan pada sambungan
untuk mengatasi potensial batas, daerah pengosongan akan menghilang, dan
lubang bebas bergerak melewati sambungan kedalam daerah N, sementara
elektron-elekron bebas pula bergerak kedalam daerah P, seperti pada Gambar
2.6.b. Apabila kuat arus yang diinjeksikan atau arus panjar lemah, maka invers
population tidak terjadi. Apabila arus panjar maju yang diberikan ditingkatkan

maka invers population akan terjadi sehingga emisi terstimulasi pun dapat
mendominasi pada arus panjar tertentu, yang disebut arus ambang. (Wildan, 2011)

Gambar 2.6. Level Energi dan pembawa konsentrasi sambungan PN semikonduktor
(a) Dioda semikonduktor tanpa tegangan bias, (b) Dioda Semikonduktor dengan
tegangan bias maju (H. Ghafouri Shiraz, 2003)

2.5.1. Panjang Gelombang Bandgap
Penyerapan dan emisi dari band ke band secara langsung dapat terjadi hanya pada
frekuensi untuk energi foton hv >
adalah
=

=

. Frekuensi minimum v yang diperlukan

, sehingga panjang gelombang maksimum yang sesuai adalah
=

gelombang bandgap

. Jika energi bandgap diberikan dalam eV, panjang
=

dalam m diberikan oleh

Universitas Sumatera Utara

13

=
Panjang gelombang bandgap

1.24

(2.12)

( m) dan

(eV). Kuantitas

disebut

panjang gelombang bandgap (atau panjang gelombang cutoff). Kandungan energi
dari sebuah foton yang dilepaskan dalam suatu semikonduktor ada hubungannya
dengan energi bandgap dari bahan semikonduktor. (Bahaa E. A. Saleh, 1991)

2.5.2. DFB (Distributed Feedback) Laser Dioda
Laser DFB adalah laser semikonduktor yang dapat mencapai operasi single
longitudinal mode, yaitu laser dengan mode panjang gelombang puncak tunggal

atau dikenal dengan panjang gelombang Bragg

B.

Laser ini didesain dengan struktur yang menggunakan distributed reflector
(Bragg gratings) yang ditempatkan berbatasan langsung dengan daerah aktif
dengan menggunakan pandu gelombang spasial bergelombang seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.7.a. Akibat adanya distributed reflector , akan
menyebabkan terjadinya distributed feedback, dimana struktur periodik ini
bertindak sebagai reflector yang terdistribusi pada kisaran panjang gelombang
kerja laser. (Sekartedjo, K. 1984)
DFB laser beroperasi dengan lebar spektral sekecil 10 MHz (tanpa
modulasi) dan modulasi bandwidth yang baik kisaran GHz. DFB laser digunakan
dalam berbagai aplikasi termasuk komunikasi serat optik di kisaran panjang
gelombang 1,3 hingga 1,55 m.

Gambar 2.7. DFB laser memiliki lapisan periodik yang bertindak sebagai
pemantul terdistribusi. (Bahaa E. A. Saleh, 1991)

Universitas Sumatera Utara

14

2.6.

Teknik Heterodyne Optik

Sinyal microwave atau miliwave dapat dihasilkan dalam domain optik
berdasarkan heterodyne optik, sinyal yang diperoleh berasal dari pencampuran
dua sinyal gelombang elektromagnetik pada frekuensi optik. Sinyal yang
dihasilkan merupakan selisih dari dua gelombang optik yang berpadu. Dua sinyal
yang berbeda frekuensi tersebut berpadu melalui fiber coupler dan kemudian
diproses dalam fotodetektor sehingga kemudian dihasilkan sinyal elektrik.

Gambar 2.8. Heterodyne optis dua gelombang optik (Yao, 2010)
Asumsikan bahwa dua gelombang optik diberikan oleh persamaan

di mana

01

dan

02

gelombang optik.

1

=

01

2

=

02

cos �1 + �1

(2.13)

cos �2 + �2

(2.14)

adalah amplitudo sedangkan �1 dan �2 adalah fase dari dua

Mengingat bahwa bandwidth yang terbatas dari fotodetektor, arus pada
keluaran fotodetektor diberikan oleh persamaan
�� =

cos �1 − �2 + �1 − �2

(2.15)

Persamaan 2.15 menunjukkan bahwa sinyal listrik dengan frekuensi yang
sama dengan perbedaan frekuensi dua gelombang optik dapat dihasilkan. Teknik
ini mampu menghasilkan sinyal listrik dengan frekuensi sampai band THz, hanya
dibatasi oleh bandwidth fotodetektor. (Yao, 2010)

2.7.

Serat Optik

Serat optik adalah saluran transmisi atau sejenis kabel yang terbuat dari kaca atau
plastik dan dapat digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu
tempat ke tempat lain. Efisiensi dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari

Universitas Sumatera Utara

15

bahan penyusun gelas atau kaca. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit
cahaya yang diserap oleh serat optik.
Serat optik bekerja berdasarkan hukum snellius tentang pemantulan
sempurna. Pemantulan cahaya atau pembiasaan cahaya yang terjadi sangat
bergantung pada saat cahaya menyentuh permukaan atau masuk ke inti serat
optik. Sebagai sarana transmisi, serat optik berperan sebagai pemandu gelombang
cahaya. Menurut ilmu fisika tentang cahaya, jika cahaya jatuh pada medium yang
berbeda indeks biasnya, cahaya tersebut akan dibiaskan dan sudut datang dari
sinar yang dikirimkan pada serat optik dapat memungkinkan untuk mengatur
seberapa efisiensi sinar tersebut sampai pada tujuan.
Sistem komunikasi serat optik, informasi diubah menjadi sinyal optik
(cahaya) dengan menggunakan sumber cahaya LED atau Diode Laser . Kemudian
dengan dasar hukum pemantulan sempurna, sinyal optik yang berisi informasi
dilewatkan sepanjang serat sampai pada penerima, selanjutnya detektor optik akan
mengubah sinyal optik tersebut menjadi sinyal listrik.
Serat optik memiliki keunggulan yang signifikan dibandingkan media
transmisi kawat konvensional. Keunggulan tersebut antara lain adalah:
1.

Rugi transmisi rendah

2.

Bandwidth yang lebar

3.

Ukuran kecil dan ringan

4.

Tahan gangguan elektromagnetik dan elektrik.
Serat optik terdiri dari inti (core), pembungkus (cladding) dan coating

ditunjukkan dalam Gambar 2.11.

Gambar 2.9. Struktur dasar serat optik
(http://www.newport.com)

Universitas Sumatera Utara

16

1.

Core adalah kaca tipis yang merupakan bagian inti dari serat atau inti fisik

yang mengirim sinyal data optik dari sumber cahaya ke alat penerima yang
berupa untai tunggal kontinyu dari kaca atau plastik. Semakin besar core
maka semakin banyak cahaya yang dapat dilewatkan dalam kabel.
2.

Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang berfungsi memantulkan

sinar kembali ke dalam inti (core), atau layer atau lapisan serat yang
berfungsi sebagai pembatas energi elektromagnetik yang terlalu besar,
gelombang cahaya dan penyebab pembiasan pada struktur inti. Pembuatan
cladding yang cukup tebal memungkinkan medan serat tidak dipengaruhi

oleh perambatan disekitar bahan sehingga bentuk fisik serat tidak cacat.
3.

Buffer Coating adalah plastik pelapis yang melindungi serat dari kerusakan.

lapisan plastik di sekitar core dan cladding ini juga berfungsi memperkuat
inti serat, membantu penyerapan dan sebagai pelindung ekstra pada
pembengkokan kabel. (Cindy, 2013)

2.7.1. Propagasi Cahaya pada Serat Optik (Numerical Aperture)
Numerical Aperture merupakan parameter yang merepresentasikan sudut

penerimaan maksimum dimana berkas cahaya masih bisa diterima dan merambat
di dalam inti serat. Sudut penerimaan ini dapat beraneka macam tergantung
kepada karakteristik indeks bias inti dan selubung serat optik.

Gambar 2.10. Proses masuknya cahaya kedalam serat optik
Sudut datang berkas cahaya lebih besar dari NA atau sudut kritis maka
berkas tidak akan dipantulkan kembali ke dalam serat melainkan akan menembus
cladding dan akan keluar dari serat (loss). Semakin besar NA maka semakin

Universitas Sumatera Utara

17

banyak jumlah cahaya yang diterima oleh serat. Akan tetapi sebanding dengan
kenaikan NA menyebabkan lebar pita berkurang, dan rugi penyebaran serta
penyerapan akan bertambah. Oleh karena itu, nilai NA besar hanya baik untuk
aplikasi jarak pendek dengan kecepatan rendah. Besarnya Numerical Aperture
(NA) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

Dimana

1

NA = sin �

adalah indeks bias inti,

beda indeks bias relatif.

��
2

=

2
1

−

2
2

=

1

2∆

(2.16)

adalah indeks bias cladding, dan ∆ adalah

2.7.2. Pembagian Serat Optik
2.7.2.1. Berdasarkan mode yang dirambatkan
Pembagian serat optik dapat dilihat berdasarkan mode yang dirambatkan yaitu
sebagai berikut:
1.

Single mode : Mempunyai inti yang kecil (berdiameter 0.00035 inch atau 9

micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang
gelombang 1300-1550 nanometer) diameter mendekati panjang gelombang
sehingga cahaya yang masuk ke dalamnya tidak terpantul-pantul ke dinding
cladding.

Gambar 2.11. Serat optik single mode (monomode)
2.

Multimode : Mempunyai inti yang lebih besar (berdiameter 0.0025 inch atau

62.5 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang
gelombang 850-1300 nanometer) serat optik dengan diameter core yang agak
besar yang membuat laser di dalamnya akan terpantul-pantul di dinding
cladding yang dapat menyebabkan berkurangnya bandwidth dari serat optik

jenis ini.

Universitas Sumatera Utara

18

Gambar 2.12. Serat optik grade index multimode

2.7.2.2. Berdasarkan indeks bias core :
Serat optik berdasarkan indeks bias inti dapat dibagi menjadi beberapa macam
yaitu:
1.

Step indeks : pada serat optik step indeks, core memiliki indeks bias

yanghomogen.

Gambar 2.13. Serat optik step index multimode
2.

Graded indeks : indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding

semakin kecil. Jadi pada graded indeks, pusat core memiliki nilai indeks bias
yang paling besar. Serat graded indeks memungkinkan untuk membawa
bandwidth yang lebih besar, karena pelebaran pulsa yang terjadi dapat

diminimalkan. Pada serat optik tipe ini, indeks bias berubah secara perlahanlahan (graded index multimode). Indeks bias inti berubah mengecil perlahan
mulai dari pusat core sampai batas antara core dengan cladding. Makin
mengecilnya indeks bias ini menyebabkan kecepatan rambat cahaya akan
semakin tinggi dan akan berakibat dispersi waktu antara berbagai mode
cahaya yang merambat akan berkurang dan pada akhirnya semua mode
cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaan di ujung serat optik (Depi,
2010).
Dalam penelitian skripsi ini, serat optik yang digunakan adalah jenis single
mode dengan panjang ± 1 m yang beroperasi pada panjang gelombang 1310/1550

nm yang berfungsi sebagai media transmisi sinyal optik.

Universitas Sumatera Utara

19

2.8.

Pembawa Sifat Cahaya (Fiber Coupler)

Serat optik coupler adalah perangkat optik yang menghubungkan tiga atau lebih
ujung serat, membagi satu input antara dua atau lebih output, atau
menggabungkan dua atau lebih input menjadi satu output. Optical coupler
memiliki fungsi yang sama dengan electronic coupler , yaitu membagi sinyal ke
beberapa titik atau perangkat. (http://www.exfiber.com)
100 %

50 %

50:50

50 %
Gambar 2.14. Optical coupler (http:// www.thorlabs.com)
Excess loss dalam satuan dB ditentukan oleh perbandingan total daya

keluaran dengan daya total masukan:

��

1

�

�

= −10 log

��

2

��

adalah daya masukan pada Port 1 dan ��

1

( �)

� +��
2

keluaran dari Port 2 dan 3, dalam satuan mW.

3

+ ��

( �)

3

(2.17)

adalah total daya

Insertion loss ditentukan oleh perbandingan antara daya masukan dengan

daya keluaran dari satu kaki coupler . Hal ini umumnya dapat ditulis sebagai
�

�

= 10 log

�

�

= 10 log

�

�

= 10 log

�

�

( �)
�

(2.18)

Untuk contoh yang lebih spesifik, insertion loss sinyal dari Port 1 ke Port 2 dapat
ditulis:

Dan insertion loss dari Port 1 ke Port 3 adalah

��

��

��

��

1
2

1
3

( �)

(2.19)

( �)

(2.20)

�

�

Insertion loss juga bisa dengan mudah dihitung dengan menyatakan daya dalam

satuan dBm. Daya di mW memiliki berhubungan dengan daya di dBm
menggunakan persamaan:
�

� = 10

�(

)
10

(2.21)

Universitas Sumatera Utara

20

Kemudian, insertion loss dalam satuan dB dapat dihitung sebagai berikut:
�

2.9.

�

=�

−�

(

)

(2.22)

(http:// www.thorlabs.com)

Amplifikasi Optik (EDFA)

Amplifier optik digunakan secara ekstensif dalam link data yang berbasis serat

optik. Jenis amplifier yang digunakan pada penelitian ini adalah erbium doped
fiber amplifier (EDFA). Medium untuk penguatan adalah serat optik kaca yang

didoping dengan ion erbium. Erbium dipompa ke keadaan populasi inversi dengan
masukan optik yang terpisah.
Medium penguatan optik erbium doped glass menguatkan cahaya pada
panjang gelombang yang berada di 1550 nm, karena panjang gelombang optik
tersebut yang mengalami pelemahan minimum dalam serat optik. Erbium doped
fiber amplifier (EDFA) memiliki kebisingan yang rendah dan dapat menguatkan

berbagai panjang gelombang secara bersamaan.

Gambar 2.15. Kofigurasi EDFA
Pump optik dikombinasikan dengan sinyal optis ke dalam serat erbium

doped dengan multiplekser divisi panjang gelombang. Sebuah multiplekser kedua
menghilangkan cahaya pump residu dari serat. Isolator optik digunakan untuk
mencegah cahaya yang dipantulkan dari bagian-bagian lain dari sistem optik
memasuki penguat. (http://opti500.cian-erc.org)
Gain dari sebuah penguat dinyatakan sebagai perbandingan antara level

sinyal masukan dan level sinyal keluaran, biasanya dinyatakan dalam dB.

Universitas Sumatera Utara

21

�

dB = 10 log10

P
P

� −

2.23

� −

Secara konseptual sederhana, pengukuran gain dari penguat optik dipengaruhi
oleh efek polarisasi dan noise optik broadband yang menyertai sinyal pada
keluaran penguat. (P. C. Becker, 1997)

2.10.

Fotodetektor
Fotodetektor atau detektor cahaya adalah sebagai alat penerima sinyal

optik. Fotodetektor mengubah sinyal optik menjadi sinyal elektrik. Keluaran dari
penerima adalah sinyal elektrik yang memenuhi spesifikasi dari pengguna
kekuatan sinyal, level impedansi, bandwidth, dan parameter lainnya.
Prinsip kerja fotodetektor adalah mendeteksi sinyal cahaya yang datang
dan mengubahnya menjadi isyarat listrik yang berisi isyarat informasi yang
dikirim. Detektor cahaya menyerap foton cahaya dan menghasilkan elektron, yaitu
elektron yang dapat menghasilkan arus listrik. Arus listrik tersebut kemudian
diperkuat untuk selanjutnya diolah sehingga dapat ditampilkan atau dikeluarkan
pada rangkaian elektronika.
Untuk mendapatkan hasil yang optimum untuk aplikasi sistem komunikasi
optik, maka detektor cahaya harus memiliki fitur-fitur sebagai berikut:
1.

Sensitivitas, kepekaan terhadap cahaya yang datang. Arus listrik yang
dihasilkan harus sebesar mungkin dalam merespon daya optik masukan.
Karena detektor cahaya ini selektif terhadap panjang gelombang (responnya
terbatasi oleh rentang panjang gelombang), maka sensitivitas ini harus
bernilai besar pada daerah panjang gelombang operasi.

2.

Responsibilitas, merupakan perbandingan arus keluar dengan cahaya masuk.
Waktu respon terhadap sinyal optik masukan harus cepat. Detektor cahaya
harus mampu menghasilkan arus listrik meski pulsa optik masukan
berlangsung dalam waktu yang cepat. Hal ini akan memungkinkan untuk
menerima data dengan laju bit tinggi.

3.

Untuk sistem penerimaan data analog, detektor cahaya harus memiliki
hubungan masukan-keluaran yang linier. Hal ini diperlukan untuk
menghindari distorsi sinyal keluaran.

Universitas Sumatera Utara

22

4.

Derau (internal noise) harus sekecil mungkin agar piranti dapat mendeteksi
sinyal optik masukan sekecil mungkin.

5.

Efisiensi, merupakan perbandingan jumlah lubang elektron yang terjadi
terhadap foton yang masuk. Bila jumlah lubang elektron yang terjadi
mendekati banyaknya jumlah foton yang masuk maka lebih baik.

6.

Waktu respon atau rise time, merupakan kecepatan yang dibutuhkan untuk
menghasilkan arus terhadap cahaya yang masuk.

7.

Bandwidth, berpengaruh terhadap waktu respon. Dan beberapa karakteristik

penting lainnya, misalnya keandalan, stabilitas, dan kekebalan terhadap
pengaruh lingkungan. (Cindy, 2013)

Universitas Sumatera Utara