bab ii tinjauan pustaka 2. 1. teori cahaya dan hukum...
TRANSCRIPT
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2. 1. Teori Cahaya dan Hukum Snellius
Penggunaan cahaya sebagai pembawa informasi sebenarnya sudah banyak
digunakan sejak zaman dahulu, baru sekitar tahun 1930-an para ilmuwan Jerman
mengawali eksperimen untuk mentransmisikan cahaya melalui bahan yang
bernama serat optik. Percobaan ini juga masih tergolong cukup primitif karena
hasil yang dicapai tidak bisa langsung dimanfaatkan, namun harus melalui
perkembangan dan penyempurnaan lebih lanjut lagi. Perkembangan selanjutnya
adalah ketika para ilmuwan Inggris pada tahun 1958 mengusulkan prototipe serat
optik yang sampai sekarang dipakai yaitu yang terdiri atas gelas inti yang
dibungkus oleh gelas lainnya. Sekitar awal tahun 1960-an perubahan fantastis
terjadi di Asia yaitu ketika para ilmuwan Jepang berhasil membuat jenis serat
optik yang mampu mentransmisikan gambar.
Di lain pihak para ilmuwan selain mencoba untuk memandu cahaya
melewati gelas (serat optik) namun juga mencoba untuk ”menjinakkan” cahaya.
Kerja keras itupun berhasil ketika sekitar 1959 laser ditemukan. Laser beroperasi
pada daerah frekuensi tampak sekitar 1014 Hertz - 15 Hertz atau ratusan ribu kali
frekuensi gelombang mikro.
Laser adalah merupakan sebuah peranti yang mengeluarkan cahaya
melalui satu proses dipanggil pemancaran terangsang. Laser adalah akronim
kepada LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation -
Pembesaran Cahaya oleh Pancaran Sinaran yang Terangsang). Cahaya laser
adalah gelombang elektromagnet nampak yang berada di dalam julat tertentu.
Laser adalah sumber optik yang memancarkan foton dalam pancaran
koheren. Cahaya laser biasanya hampir-monokromatik, contohnya, mengandungi
panjang gelombang tunggal atau warna, dan dipancarkan dalam pancaran halus.
Ini berbeza dengan sumber cahaya biasa, seperti mentol, yang memancarkan
Universitas Sumatera Utara
photon yang dapat dilihat kesemua arah, biasanya mencangkupi jarak gelombang
spektrum elektromagnetik yang luas. Aksi laser dapat difahami melalui
penggunaan teori mekanik kuantum dan termodinamik.
Salah satu jenis laser yaitu Laser diode yang menghasilkan panjang
gelombang dari 405 nm sehingga 1550 nm. Laser diode berkuasa rendah
digunakan dalam penunjuk laser, pencetak laser, dan pemain CD/DVD.
Kebanyakan laser diode lebih berkuasa biasanya digunakan bagi mengepam
secara optik laser lain dengan berkesan. Laser diode skala industri paling
berkuasa, dengan kuasa sehingga 10 kW, digunakan dalam pengilangan bagi
memotong dan mengimpal.
Pada awalnya peralatan penghasil sinar laser masih serba besar dan
merepotkan. Selain tidak efisien, ia baru dapat berfungsi pada suhu sangat rendah.
Laser juga belum terpancar lurus. Pada kondisi cahaya sangat cerah pun,
pancarannya gampang meliuk-liuk mengikuti kepadatan atmosfer. Waktu itu,
sebuah pancaran laser dalam jarak 1 km, bisa tiba di tujuan akhir pada banyak titik
dengan simpangan jarak hingga hitungan meternya sangat tinggi, kurang dari 1
bagian dalam sejuta. Dalam bahasa sehari-hari artinya serat yang sangat bening
dan tidak menghantar listrik ini sedemikian murninya, sehingga konon,
seandainya air laut itu semurni serat optik, dengan pencahayaan cukup mata
normal akan dapat menonton lalu-lalangnya penghuni dasar Samudera Pasifik.
Seperti halnya laser, serat optik pun harus melalui tahap-tahap
pengembangan awal. Sebagaimana medium transmisi cahaya, ia sangat tidak
efisien. Hingga tahun 1968 atau berselang dua tahun setelah serat optik pertama
kali diramalkan akan menjadi pemandu cahaya, tingkat atenuasi (kehilangan)-nya
masih 20 dB/km. Melalui pengembangan dalam teknologi material, serat optik
mengalami pemurnian, dehidran dan lain-lain. Secara perlahan tapi pasti
atenuasinya mencapai tingkat di bawah 1 dB/km.
Hukum Snellius sangat kita pahami bersama dengan mudah karena
memang rumusannya yang sangat mudah dimengerti. Hukum Snellius adalah
rumus matematika yang memberikan hubungan antara sudut datang dan sudut bias
pada cahaya atau gelombang lainnya yang melalui batas antara dua medium
isotropik berbeda, seperti udara dan gelas. Hukum ini menyebabkan bahwa
Universitas Sumatera Utara
“nisbah sinus sudut datang dan sudut bias adalah konstan, yang tergantung pada
medium (indeks bias medium)”.
Perumusan lain yang ekivalen dalam nisbah sudut datang dan sudut bias
sama dengan nisbah kecepatan cahaya pada kedua medium yang sama dengan
kebalikan nisbah indeks bias.
Gambar 2.1 Hukum Snellius
Perumusan matematis hukum Snellius adalah :
=
=
(2.1)
Atau
= (2.2)
Atau
(2.3)
Lambang merujuk pada sudut datang dan sudut bias, pada
kecepatan cahaya sinar datang dan sinar bias. Lambang menunjuk pada indeks
bias medium yang dilalui sinar datang, sedangkan adalah indeks bias medium
yang dilalui sinar bias.
Saat sudut datang > sudut kritis maka akan terjadi pemantulan sempurna.
Hal inilah yang terjadi dalam serat optik, dimana gelombang cahaya menjalar
dengan mengalami pemantulan-pemantulan sempurna dari dinding seratnya
(cladding) yang indeks refraksinya lebih kecil daripada indeks refraksi inti
seratnya (core).
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Pemantulan Dinding Serat Optik
Dari gambar 2.1 sebenarnya terlihat bahwa tanpa diberi cladding pun (artinya
n2 = 1 ) akan terjadi pemantulan-pemantulan yang sempurna. Tetapi hal ini
dihindarkan karena justru harga n1 dan n2 harus berbeda hanya sedikit agar
pengiriman dapat terlaksana untuk band yang lebar dan jarak yang jauh tanpa
terjadi distorsi.
2. 2. Serat Optik
Serat optik adalah saluran transmisi atau sejenis kabel yang terbuat dari kaca
atau plastik yang sangat halus dan lebih kecil dari sehelai rambut, dan dapat
digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain.
Sumber cahaya yang digunakan biasanya adalah laser atau LED. Kabel ini
berdiameter lebih kurang 120 mikrometer. Cahaya yang ada di dalam serat optik
tidak keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari
udara, karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit.
Efisiensi dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun
gelas/kaca. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh
serat optik.
Serat optik dibuat dari silikon dan germanium bereaksi dengan oksigen
membentuk SiO2 dan GeO2. SiO2 dan GeO2 menyatu dan membentuk kaca serat
optik terdiri dari 3 bagian seperti gambar 2.3, yaitu :
Universitas Sumatera Utara
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/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 disekitar core dan cladding ini juga berfungsi memperkuat inti
serat, membantu penyerapan dan sebagai pelindung ekstra pada
pembengkokan kabel.
Gambar 2.3 Bagian-bagian Serat Optik
Jenis serat optik berdasarkan indeks bias core pada serat optik multimode
dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu serat optik multimode step index
(indeks bias core homogen), dan serat optik multimode gradded index (indeks bias
core semakin mendekat ke arah cladding semakin kecil. Jadi pada gradded indeks,
pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar).
Dalam penggunaan serat optik ini, terdapat beberapa keuntungan antara lain :
1. Lebar jalur besar dan kemampuan dalam membawa banyak data, dapat
memuat kapasitas informasi yang sangat besar dengan kecepatan transmisi
Universitas Sumatera Utara
mencapai gigabit-per detik dan menghantarkan informasi jarak jauh tanpa
pengulangan
2. Biaya pemasangan dan pengoperasian yang rendah serta tingkat keamanan
yang lebih tinggi
3. Ukuran kecil dan ringan, sehingga hemat pemakaian ruang
4. Imun, kekebalan terhadap gangguan elektromagnetik dan gangguan
gelombang radio
5. Non-Penghantar, tidak ada tenaga listrik dan percikan api
6. Tidak berkarat
2. 3. Prinsip dan Tipe Sensor Optik
Sensor serat optik adalah jenis sensor optik yang menggunakan serat optik
dalam mekanisme penginderaan atau pendeteksian, baik sebagai komponen aktif
sensor maupun sekedar sebagai pemandu gelombang (optik) saja. Sistem sensor
optik dilengkapi dengan paling tidak tiga komponen utama, yaitu komponen
optoelektronik, link optik dan probe. Komponen optoelektronika meliputi sumber
cahaya, detektor optik dan pengolah sinyal. Link optik berupa gelombang serat
optik yang berfungsi memandu cahaya ke atau dari bagian penginderaan (sensing
region). Sedangkan probe adalah bagian sensing atau transducing, baik pada
bagian dalam maupun luar serat optik, yang bertindak sebagai transduser dan
berinteraksi langsung dengan obyek atau besaran yang diukur. Sensor serat optik
didasarkan pada mekanisme modulasi gelombang optic (cahaya) dari suatu
sumber seperti LED, diode laser, atau yang lainnya. Kuantitas optik yang
dimodulasi dapat berupa intensitas atau amplitudo, panjang gelombang, fase
gelombang dan polarisasi gelombang optik tersebut. Modulasi ini dapat terjadi di
luar maupun di dalam serat optik.
Sampai saat ini ada 3 jenis fiber yang digunakan pada umumnya yaitu :
• Step index, multimode
• Graded index, multimode
• Step index, singlemode
2.3.1 Step Index Multimode
Fiber optic step index (multimode) dibuat dari core yang relatif besar,
dengan diselimuti cladding. Corenya mempunyai diameter antara 50 sampai
Universitas Sumatera Utara
dengan 200 μm, dimana cladding sangat tipis seperti pada gambar 2.3. Core dan
cladding mempunyai index bias yang berbeda. Serat tersebut mudah dibuat, oleh
karena itu serat optik ini pertama kali di pasarkan. Keuntungan lain dari serat step
index multimode adalah corenya yang tebal sehingga mudah dalam
penyambungan ujung dua serat dan dalam segi biaya lebih efektif. Biasanya
ukuran NA yang terdapat di dalam kabel Multi mode pada umumnya adalah
berkisar antara 0,20 hingga 0,29. Kerugian utama dari serat ini adalah terjadinya
tiga tipe dispersi dan adanya rugi-rugi daya yang besar. Oleh karena itu, serat step
index multimode digunakan untuk jarak yang pendek dengan bit rate yang relative
rendah. Kabel ini cocok untuk transmisi medium. Redaman dari serat step index
multimode antara 2 sampai dengan 30 dB/Km, dan bandwith antara 10 sampai
dengan 100 Mhz.[13]. Panjang gelombang core-nya sebesar 850 atau 1300nm.
Gambar 2.4 Karakteristik Serat Optik Multimode Step Index
2.3.2 Graded index Multimode
Kabel ini terdiri dari core yang mempunyai indeks bias berkurang sedikit
demi sedikit secara step by step dari pusat core sampai batas antara core dengan
cladding. Core tersebut terdiri dari lapisan-lapisan gelas, masing-masing lapisan
mempunyai index bias yang berbeda. Umumnya diameter core 50 μm dan untuk
claddingnya 125 μm seperti pada gambar 2.4. Berkas cahaya yang merambat
melalui kabel ini dibelokkan sampai propagasi sejajar dengan sumbu serat. Di
tempat titik pantul tersbut propagasi diarahkan kearah axis serat.
Propagasi gelombang cahaya melalui lapisan bagian luar berjalan lebih
jauh dari pada berkas yang hanya melalui lapisan bagian dalam. Tetapi indeks bias
dari lapisan luar adalah lebih kecil, berarti bahwa kecepatan propagasi cahaya
bagian luar lebih cepat dari pada bagian dalam. Oleh karena itu, semua berkas
Universitas Sumatera Utara
cahaya (mode-mode) menggambarkan pulsa-pulsa yang datang pada waktu yang
bersamaan. Dengan cara ini dispersi multipath dapat diusahakan seminim
mungkin.
Fiber Graded Index Multimode mempunyai redaman mulai dari 2 sampai
dengan 10 dB/Km dan bandwith 1Ghz. Meskipun mempunyai banyak
keuntungan, fiber ini sukar dalam pembuatannya dan harganya lebih mahal dari
pada step index multimode.
Gambar 2.5 Karakteristik Serat Optik Multimode Gradded Index
2.3.3 Step Index Single Mode
Segera setelah perkembangan kedua jenis tipe fiber tersebut di atas,
kebutuhan akan bandwith lebih besar lagi. Dapat kita lihat bahwa semakin rendah
jumlah mode, semakin tinggi bandwithnya. Idealnya cahaya berpropagasi melalui
hanya satu mode saja, yang paralel dengan sumber fiber.
Gambar 2.6 Karakteristik Serat Optik Single Mode Step Index
Seperti yang terlihat pada gambar 2.5, core mempunyai diameter antara 8
sampai dengan 12μm, dan cladding telah distandarisasi pada 125 μm. Readaman
step index singlemode adalah 0,2 sampai 0,4 dB/Km, dan dengan bandwith 50
Ghz. Teknologi ini membutuhkan sumber cahaya dengan lebar spektral yang
sangat kecil pula dan ini berarti sebuah sistem yang mahal. Singlemode dapat
Universitas Sumatera Utara
membawa data dengan lebih cepat dan 50 kali lebih jauh dibandingkan dengan
serat optik multimode.
2. 4. Konektor Serat Optik
Konektor fiber digunakan untuk menyambungkan dua ujung fiber optik, yang
digunakan pada titik - titik di mana fiber berakhir pada pemancar dan penerima.
Pada kabel serat optik, sambungan ujung terminal atau disebut juga konektor,
biasanya memiliki tipe standar seperti berikut:
1. FC (Fiber Connector): digunakan untuk kabel single mode dengan akurasi
yang sangat tinggi dalam menghubungkan kabel dengan transmitter
maupun receiver. Konektor ini menggunakan sistem drat ulir dengan
posisi yang dapat diatur, sehingga ketika dipasangkan ke perangkat lain,
akurasinya tidak akan mudah berubah.
2. SC (Subsciber Connector) : digunakan untuk kabel single mode, dengan
sistem dicabut-pasang. Konektor ini tidak terlalu mahal, simpel, dan dapat
diatur secara manual serta akurasinya baik bila dipasangkan ke perangkat
lain.
3. ST (Straight Tip): bentuknya seperti bayonet berkunci hampir mirip
dengan konektor BNC. Sangat umum digunakan baik untuk kabel multi
mode maupun single mode. Sangat mudah digunakan baik dipasang
maupun dicabut.
4. Biconic: Salah satu konektor yang kali pertama muncul dalam komunikasi
fiber optik. Saat ini sangat jarang digunakan.
5. D4 konektor ini hampir mirip dengan FC hanya berbeda ukurannya saja.
Perbedaannya sekitar 2 mm pada bagian ferrule-nya.
6. SMA: konektor ini merupakan pendahulu dari konektor ST yang sama-
sama menggunakan penutup dan pelindung. Namun seiring dengan
berkembangnya ST konektor, maka konektor ini sudah tidak berkembang
lagi penggunaannya.
7. E200
Universitas Sumatera Utara
2. 5. Sensor `
Sensor adalah elemen sistem yang secara efektif berhubungan dengan proses
di mana suatu variabel sedang diukur dan menghasilkan suatu keluaran dalam
bentuk tertentu tergantung pada variabel masukannya, dan dapat digunakan oleh
bagian sistem pengukuran yang lain untuk mengenali nilai variabel tersebut.
Dari beberapa referensi didapatkan pengertian dari sensor seperti dibawah ini :
1. Sensor adalah suatu divais (alat) yang dapat mengukur besaran fisika dan
mengubahnya ke sinyal yang dapat dibaca oleh observer atau sebuah
instrumen.
2. Ada 6 macam sinyal, mekanik, termal, magnetik, elektrik, kimia, dan
radiasi. Dan alat yang mengubah suatu jenis sinyal ke sinyal lain disebut
transducer. Sinyal yang dihasilkan dapat bermanfaat dalam bentuk yang
lain. Sedangkan peralatan yang menawarkan keluaran elektrik disebut
sebagai sensor.
3. Sensor adalah alat (divais) yang mengubah fenomena fisis ke sinyal
elektrik. Dengan demikian sensor merepresentasikan bagian dari interface
antara dunia fisis dengan dunia peralatan elektrik.
Istilah yang biasa digunakan untuk mendefinisikan unjuk kerja (performa)
sensor yaitu histerisis, validitas dan reliabilitas. Histerisis berguna untuk
mengetahui apakah nilai pengukuran dengan arah yang berlawanan memiliki nilai
yang sama dan error yang kecil. Error histerisis digunakan untuk menyatakan
selisih keluaran yang diperoleh dari nilai besaran yang sama, yang sedang diukur
berkenaan dengan apakah nilainya dicapai melalui perubahan kontinu naik atau
turun.
Validitas dalam penelitian kuantitatif yaitu bagaimana sebuah penelitian
benar-benar mengukur apa yang akan diukur dan bagaimana kebenaran dari hasil
penelitian tersebut. Dengan kata lain, validitas menunjukkan ketepatan instrument
penelitian untuk mencapai sasaran penelitian tersebut . Tiga validitas dalam
penelitian kualitatif adalah validitas deskriptif (descriptive validity), validitas
interpretatif (interpretative validity) serta validitas teoritikal (theoretical validity).
Validitas deskriptif mengacu pada akurasi berdasarkan fakta-fakta yang
Universitas Sumatera Utara
sesungguhnya yang dilaporkan peneliti. Validitas interpretatifdidapatkan berdasar
sudut pandang, pemikiran, tujuan dan pengalaman yang dipahami dan dilaporkan
oleh peneliti. Validitas teoritikal didasarkan pada seberapa besar sebuah teori atau
penjelasan teoritikal yang diperoleh melalui penelitian sehingga dapat dipercaya
dan dipertanggungjawabkan.
Reliabilitas (keandalan) adalah persyaratan penting yang harus dimiliki oleh
suatu sistem pengukuran. Hal ini berguna untuk mengetahui apakah sistem
pengukuran dapat menghasilkan nilai yang sama terhadap perubahan waktu,
misalnya akibat meregangya pegas.
2. 6. Photodetektor
Photodetektor atau detektor cahaya adalah sebagai alat penerima komunikasi
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.
Bentuk sistem fotodetektor termasuk dalam alat penerima yang sesuai,
biasanya adalah semikonduktor photodioda yang berasal dari komponen optik
gelombang cahaya ke alat fotodetektor.
Optoelektronika membuat secara luas mengenai penggunaan energi
tranducer. Dalam tranducer, seperti dalam mata kita, cahaya diubah menjadi arus
listrik oleh phodetektor (photosensor). Prinsip kerja photodetektor adalah
mendeteksi sinyal cahaya yang datang dan mengubahnya menjadi isyarat listrik
yang berisi isyarat informasi yang dikirim. Arus listrik tersebut kemudian
diperkuat untuk selanjutnya diolah sehingga dapat ditampilkan atau dikeluarkan
pada rangkaian elektronika.
Detector cahaya, secara khusus photodiode, dapat dipandang sebagai inverse
dari light emitting diode (LED). Disini madukan ke peranti adalah daya optic dan
keluaran dari peranti berupa sinyal listrik. Prinsip operasi dari photodiode ini
merupakan fenomena fisika sebagaimana yang terjadi pada LED. Detektor cahaya
menyerap photon cahaya dan menghasilkan electron, yaitu electron yang dapat
menghasilkan arus listrik.
Universitas Sumatera Utara
Untuk mendapatkan hasil yang optimum penggunaan photodiode sebagai
transducer, secara khusus untukaplikasi system komunikasi optic, maka detector
cahaya harus memiliki fitur fitur sebagai berikut:
1. Sensitivitas, kepekaan terhadap cahaya yang datang. Peranti detector cahaya
harus sangat sensitive. Arus listrik yang dihasilkan harus sebesar mungkin
dalam merespon daya optic masukan. Karena detector cahaya ini selektif
terhadap panjang gelombang (responnya terbatasi oleh rentang panjang
gelombang), maka sensitifitas ini harus bernilai besar pda daerah panjang
gelombang operasi.
2. Responsitivitas, merupakan perbandingan arus keluar dengan cahaya masuk.
Waktu respon terhadap Sinyal optic masukan harus cepat. Detektor cahaya
harus mampu menghasilkan arus listrik meski pulsa optic masukan
berlangsung dalam waktu yang cepat. Hal ini akan memungkinkan untuk
menerima data dengan laju bit tinggi.
3. Untuk system penerimaan data analog, detector cahaya harus memiliki
hubungan masukan-keluaran yang linier. Hal ini diperlukan untuk menghindari
distorsi Sinyal keluaran.
4. Derau dalam (internal noise) yang dibangkitkan oleh peranti harus sekecil
mungkin agar peranti dapat mendeteksi Sinyal optic masukan sekecil mungkin.
5. Effisiensi, 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. Respon time atau rise time, merupakan kecepatan yang dibutuhkan untuk
menghasilkan arus terhadap cahaya yang masuk.
7. Bandwidth, berpengaruh terhadap respon time.
Beberapa karakteristik penting lainnya, misalnya keandalan, stabilitas, dan
kekebalan terhadap pengaruh lingkungan.
2. 7. Rugi – rugi Daya pada Serat Optik akibat Pembengkokan Pada Serat
Energi atau daya yang dibawa oleh cahaya akan mengalami pelemahan (rugi-
rugi/loss) akibat terjadinya kebocoran atau karena kurangnya kejernihan bahan
serat optik. Besaran pelemahan energi sinyal informasi dari serat optik yang biasa
Universitas Sumatera Utara
dinyatakan perbandingan antara daya pancaran awal terhadap daya yang diterima
dinyatakan dalam deci-Bell (dB) disebabkan oleh 3 faktor utama yaitu absorpsi,
hamburan (scattering) dan lekukan (bending losses). Dengan susunan bahan yang
tepat maka akan didapatkan attenuasi (pelemahan) yang kecil. Attenuasi adalah
pelemahan energi sehingga amplitudo gelombang yang sampai pada penerima
menjadi lebih kecil dari pada amplitudo yang dikirimkan oleh pemancar.
Bending yaitu pembengkokan serat optik yang menyebabkan cahaya yang
merambat pada serat optik berbelok dari arah transmisi dan hilang. Sebagai
contoh, pada serat optik yang mendapat tekanan cukup keras dapat menyebabkan
ukuran diameter serat optik menjadi berbeda dari diameter semula, sehingga
mempengaruhi sifat transmisi cahaya di dalamnya. Rugi-rugi akibat pelengkungan
serat optik dibedakan menjadi dua macam yaitu:
1) Macro bending/pembengkokan makro
Rugi-rugi macro bending terjadi ketika sinar atau cahaya melalui serat
optik yang dilengkungkan dengan jari-jari lebih lebar dibandingkan dengan
diameter serat optik, sehingga menyebabkan rugi-rugi seperti pada Gambar 2.6.
Gambar 2.7. Pembengkokan Sinar Di Dalam Inti Serat Optik Dengan
Variasi Sudut Datang
Berdasarkan prinsip pemantulan dan pembiasan cahaya, jika sudut datang
lebih kecil dari sudut kritis, maka mode cahaya tidak dipantulkan secara sempurna
melainkan lebih banyak dibiaskan keluar dari inti serat optik. Sedangkan untuk
sinar yang membentuk sudut datang lebih besar dari sudut kritis, sebagian besar
mode cahaya akan dipantulkan kembali masuk ke dalam selubung seperti halnya
prinsip pemantulan total. Kondisi ini mengakibatkan perubahan mode. Jumlah
Universitas Sumatera Utara
radiasi optik dari lengkungan serat tergantung kekuatan medan dan kelengkungan
jari-jari.
2) Micro bending / pembengkokan mikro
Pembengkokan mikro terjadi karena ketidakrataan pada permukaan batas
antara teras dan selongsong secara acak atau random pada serat optik karena
proses pengkabelan ataupun ketika proses penarikan saat instalasi seperti terlihat
pada Gambar 2.7.
Gambar 2.8. Peristiwa Rugi-Rugi Akibat Pembengkokan Mikro
2. 8. Sensor Beban dengan Serat Optik Mikrobending
Sensor yang berbasis intensitas membutuhkan lebih banyak cahaya dan
karena itu biasanya menggunakan serat multimode dengan inti yang lebar. Ada
berbagai mekanisme seperti rugi daya optik akibat mikrobending, redaman, dan
bidang lepas yang dapat menghasilkan perubahan hasil ukur yang diinduksi dalam
intensitas optik yang disebarkan oleh serat optik. Keuntungan dari sensor ini
adalah kesederhanaan implementasi, biaya rendah, kemungkinan menjadi
multiplexing, dan kemampuan untuk tampil sebagai sensor yang didistribusikan
secara nyata. Salah satu sensor berbasis intensitas adalah sensor mikrobend, yang
didasarkan pada prinsip bahwa mekanik tikungan mikro yang periodik dapat
menyebabkan energi dari mode dipandu untuk digabungkan dengan mode radiasi
dan akibatnya menghasilkan redaman cahaya yang ditransmisikan. Seperti yang
terlihat pada Gambar.2.9, sensor terdiri dari dua pelat beralur dan di antara kedua
pelat terdapat serat optik. Pelat atas dapat bergerak sebagai respon terhadap
tekanan. Ketika radius tikungan serat melebihi sudut kritis yang diperlukan untuk
Universitas Sumatera Utara
membatasi cahaya ke area inti, cahaya mulai bocor ke cladding mengakibatkan
modulasi intensitas.
Gambar 2.9. Sensor Intrinsik Serat Optik
Adapun penjelasan yang signifikan yaitu ketika serat terkena tikungan kecil
atau gangguan, suatu bagian tertentu dari propagasi cahaya dalam inti serat
digabungkan dalam mode radiasi dan hilang. Mode penggabungan dapat dicapai
dengan menggunakan pelat bergelombang yang merubah bentuk serat menjadi
serangkaian tikungan. Oleh karena itu, mikrobending menyebabkan intensitas
cahaya menurun. Dengan memantau dan menghubungkan hilangnya intensitas
cahaya, berbagai jenis sensor mikrobend dapat dirancang. Wilayah penginderaan
sensor mikrobend terdiri dari dua pelat bergelombang, disebut lempeng deformer.
Serat optik ditekan dengan memberi gaya ke bawah karena lipatan atau lekukan
lempeng seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9.
Gambar 2.10. Skematik Sensor Mikrobending
Universitas Sumatera Utara
Sensor mikrobending serat optik adalah jenis sensor serat berdasarkan prinsip
tekukan yang terstruktur yang dapat menyebabkan hilangnya intensitas cahaya,
yang terdiri dari susunan lekukan termodulasi dan serat optik. Kinerja sensor
mikrobending serat optik ditentukan oleh susunan lekukan (bending), maka
metode modulasi lekukan (bending) digunakan untuk menghasilkan periodik
lekukan (bending) pada serat optik.
Desain sensor yang dibuat yaitu plat bergerigi atau bergelombang pada sisi
atas dan bawah, dan diantara plat diberi sensor serat optik yang mengalami
gangguan mikrobending dan mengarahkan pancaran (mentransmisikan) gangguan
tersebut. Cahaya yang keluar dan menembus pembungkus (jacket) menyebabkan
intensitas cahaya output berkurang atau disebut pelemahan (attenuasi). Besarnya
gangguan dapat diperoleh dengan mendeteksi variasi intensitas cahaya, dan
tekanan pada sensor mikrobending serat optik dapat diperoleh.
Dari gambar 2.10 deformer dalam menanggapi perubahan gaya ΔF terhadap
pembengkokan serat menyebabkan amplitudo deformasi serat X untuk berubah
dengan jumlah Ax. Koefisien transmisi T, untuk cahaya yang merambat melalui
serat yang bengkok pada gilirannya diubah oleh jumlah ΔT sehingga:
(2.4)
di mana ΔT / Δx adalah sensitivitas, Seperti daerah, ls adalah ketebalan deformer,
Ys adalah modulus Young, dan kf adalah konstanta pegas efektif dari serat optik.
Konstanta pegas efektif pada gilirannya dapat dinyatakan sebagai berikut:
(2.5)
Dari Persamaan (2.4) dan (2.5), dapat dilihat bahwa jika kekuatan
diterapkan pada sensor microbend (ΔF), intensitas cahaya pada output serat akan
berubah. Selain itu, parameter geometris deformer seperti periodisitas mekanik,
luas penampang deformer, deformasi jarak dan jumlah lipatan akan
mempengaruhi intensitas keluaran cahaya. Karena sensor microbend jatuh ke
Universitas Sumatera Utara
dalam kelompok sensor serat optik intrinsik, sifat serat seperti modulus Young
dan diameter serat akan mempengaruhi intensitas keluaran juga.
Menurut teori gelombang optik, koefisien attenuasi dapat disimpulkan sebagai
berikut :
α =
K D
2 (t) L [
2
, (2.6)
dengan k merupakan konstanta pembanding (rasio), D(t), L & q secara berurutan
yaitu besarnya mikrobending, panjang serat optik dan frekwensi jarak lekukan
atau gerigi. Δβ merupakan perbedaan konstanta propagasi yang berdekatan. D(t)
didominasi dari ukuran, L panjang serat antara pelat gerigi, q periode jarak gerigi.
Ketika q = Δβ, kerugian mikrobending sangat besar dan modulasi mudah
terganggu, siklus sesuai Λo adalah siklus mikrobending yang optimal.
Gambar 2.11. Skematik Sensor dengan Pelat Bergerigi
Periodisitas mekanik dapat diberikan seperti gambar 2.11 :
Λo =
= (1 +
)
1/2
(2.7)
ξ konstanta tergantung pada profil indeks bias, untuk graded index ξ = 2 dan
untuk serat optik step index ξ = , M adalah jumlah mode dan m adalah jumlah
modus. Dalam serat optik multimode, mode orde yang lebih tinggi adalah mode
yang paling mudah digabungkan dari serat di lekukan-lekukan kecil. Kemudian
diasumsikan M = m dan periodisitas kritis adalah Λo = π a / Δ ½ (untuk serat
optik step index) dan Λo = / Δ ½ (untuk serat optik graded index), dimana
Universitas Sumatera Utara
a radius serat, Δ perbedaan normal indeks antara core dan cladding, Δ = (n1 – n2) /
n2.
Dalam studi ini, menggunakan serat optik multimode step index 62,5 μm /
125 μm dan perbedaan normal indeks adalah 0.01. Kemudian periodisitas
mekanik kritis dapat dihitung dan desain jarak gerigi atau lekukan dengan rumus
untuk serat optik step index akan meningkatkan sensitivitas sensor secara efektif.
Dengan menempelkan serat optik pada material yang berdaya tahan tinggi
dan elastis serta mengatur tingkat bending degan benar, maka respon sensitive
terhadap tekanan luar dapat ditingkatkan dan dapat melindungi serat optik secara
efektif sehingga daya tahan sensor lebih lama.
2. 9. Pengolahan Data-Data dengan Statistik
Dalam berbagai penelitian tentunya menghasilkan data-data yang akan
digunakan untuk mencapai tujuan penelitian. Data-data tersebut dapat diolah
dengan statistik misalnya untuk mengetahui apakah suatu variabel berpengaruh
terhadap variabel lainnya secara signifikan. Adapun beberapa cara pengujian data
dengan statistic salah satunya ANOVA (Analysis of Varians). Analisis variansi
adalah suatu prosedur untuk uji perbedaan mean beberapa populasi. Konsep
analisis variansi didasarkan pada konsep distribusi F dan biasanya dapat
diaplikasikan untuk berbagai macam kasus maupun dalam analisis hubungan
antara berbagai varabel yang diamati. Untuk dapat menguji data-data
menggunakan ANOVA ada beberapa syarat yaitu data berasal dari sampel yang
berbeda, data tersebut harus diuji homogenitasnya, uji normalaitas.Uji normalitas
data dimaksudkan untuk memperlihatkan bahwa data sampel berasal dari populasi
yang berdistribusi normal. Ada beberapa teknik yang dapat digunakan untuk
menguji normalitas data, antara lain uji chi-kuadrat, uji lilliefors, dan uji
kolmogorov-smirnov. Uji homogenitas dimaksudkan untuk memperlihatkan
bahwa dua atau lebih kelompok data sampel berasal dari populasi yang memiliki
variansi yang sama.
Universitas Sumatera Utara