degradasi sinyal pd fiber optik · propagasi mm pd inti yg relatif besar dan kemungkinan distorsi...
TRANSCRIPT
Fakultas Teknik Elektro 2
Degradasi sinyal :
• Degradasi sinyal dlm fiber :
– Redaman
– Dispersi
• Redaman diklasifikasikan :
– Absorpsi
– Hamburan Raleigh
– Efek geometri
– Loss inti dan kulit
Fakultas Teknik Elektro 3
Absorpsi
• Rugi-rugi absorpsi :– Kerusakan atom
– Intrisik
– Ekstrinsik
• Kerusakan atom– Ketidak sempurnaan struktur atom spt kehilangan
molekul, cluster kerapatan tinggi grup atom, atau kerusakan oksigen dlm struktur gelas.
– Umumnya rugi-rugi ini dpt diabaikan dibandingkan dgn karena intrinsik dan ekstrinsik.
– Rugi-rugi ini signifikan jika terjadi radiasi nuklir yg tinggi, misalnya di reaktor nuklir saat terjadi ledakan nuklir.
Fakultas Teknik Elektro 4
• Intrinsik :
– Sifat alamiah gelas menyerap cahaya
– Sangat kuat pd daerah ultra violet tdk
berpengaruh pd siskom optik
– Pd daerah inframerah terjadi puncak pd 7 μm
dan 12 μm.
– Energi panas atom-atom bergerak SiO
berkontraksi & meregang/vibrasi
Absorpsi
Fakultas Teknik Elektro 5
0/ EE
uv CeHukum Urbach :
C dan EO : konstanta empiris
E : energi photon
x : bagian molekul GeO2
63,4
210606,46
2,154e
x
xuv
dB/Km
Absorpsi daerah UV :
Absorpsi daerah IR :
48,48
111081,7
eIRUtk GeO2-SiO2 : dB/Km
Fakultas Teknik Elektro 6
• Ekstrinsik
– Ketidak murnian sumber utama rugi-rugi fiber.
– Jenis : ion transition metal dan ion OH
– Fe, Cu, V, Co, Ni, Mn, Cr menyerap secara kuat pd
daerah yg dinginkan
– Ketidak lengkapan pengisian sel elektron dalam,
penyerapan cahaya mengakibatkan elektron bergerak
dr level energi rendah ke level lebih tinggi.
– Redaman OH paling signifikan pd 1,37 μm, 1,23 μm,
0,95 μm
Absorpsi
Fakultas Teknik Elektro 8
Perbandingan absorbsi inframerah krn bahan doping pd low-loss
silica fiber.
Fakultas Teknik Elektro 9
Hamburan Rayleigh
• Terjadi krn gel bergerak mel media yg terdapat
benda hambur yg < 1 λ
• Saat pabrikasi gelas cair panas molekul bebas
bergerak
• Pd saat cairan dingin gerakan berkurang
• Pd saat padat mol acak membeku variasi
kepadatan variasi indeks bias setempat
hamburan.
Fakultas Teknik Elektro 10
Glory : gejala optik dihasilkan oleh backscattering ke sumber oleh
asap/kabut/butir air berukuran seragam.
Fakultas Teknik Elektro 11
• Penyebab hamburan lain :
– Bahan fiber terdiri dr lebih dr satu oksida fluktuasi
konsentrasi oksida penyusun
– Ketidak homogenan bahan yg dicampurkan dlm gelas
selama pabrikasi antar muka inti-kulit kasar, benda
hambur > λ optik dpt dikendalikan pd saat
pabrikasi.
Raleigh scattering
Fakultas Teknik Elektro 12
Redaman krn hamburan sebanding dng λ-4.
Gelas komponen tunggal :
TfBscat
TfBscat
Tkpn
Tkn
28
4
3
22
4
3
3
8
13
8
kB : Konstanta Boltzman = 1,380 x 10-23 J/OK
βT : Isothermal compressibility bahan
Tf : Suhu fictive/lebur
p : koefisien photoelastic
atau
Neper/Km
Neper/Km
Fakultas Teknik Elektro 13
Utk gelas multi komponen :
m
i
i
i
CC
nnn
Vn
1
2
2
2
2
22
22
4
3
3
8
δρ : fluktuasi kepadatan
δCi : fluktuasi konsentrasi komponen gelas
Neper/Km
Nilai fluktuasi komposisi dan kepadatan umumnya tidak
diketahui dan ditetapkan dr data hamburan percobaan
Fakultas Teknik Elektro 15
Efek Geometri
• Bengkokan/lengkungan redaman :
– Makroskopi
• berukuran besar dibanding diameter fiber
• Misalnya fiber dibelokan pojok
– Mikroskopi
• fluktuasi jari-jari ukurankecil berulang
• berukuran kecil dibanding diameter fiber
• Terjadi secara random
• Dpt bertambah saat pengkabelan
Fakultas Teknik Elektro 17
Mode fundamental dlm fiber lengkung
Jari-jari kritis single mode :
3
2/32
2
2
1
996,0748,220
C
C
nnR
2/32
2
2
1
1
4
3
nn
nRC
Jari-jari kritis multi mode :
Fakultas Teknik Elektro 18
Gloge : jumlah modus effektif
2
1
3/2
2
2
2
32
2
21
kanM
kRnR
aMM eff
: Jml total mode dlm fiber lurus
k = 2π/λ : konstanta propagasi gelombang
Fakultas Teknik Elektro 19
Microbending : fluktuasi jari-jari ukurankecil berulang
dr lengkungan sumbu fiber
Fakultas Teknik Elektro 21
Loss Inti dan Kulit
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
cladvm
coreclad
cladcorevm
121
21
1
Inti dan kulit terbuat dr bahan yang berbeda
komposisinya memiliki kofisien redaman berbeda
(α1 utk inti dan α2 utk kulit).
Jika pengaruh kopling moda diabaikan, loss SI fiber
mode (v,m) :
karena
maka
Loss total dr fiber diperoleh dr penjumlahan semua moda
dr tiap bagian daya setiap moda
Pd fiber GI, koef redaman pd jarak r dr sumbu
2
2
2
22
121)0(
)()0()(
nn
rnnr
Fakultas Teknik Elektro 22
Dispersi
• Group velocity : kecepatan energi suatu modus tertentu bergerak sepanjang fiber.
• Perbedaan kec grup mengakibatkan perbedaan waktu tiba energi di tujuan shg mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa.
• Gejala yg mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa disebut dispersi.
• Jenis dispersi :
– Intramodal• Material
• waveguide
– Intermodal, hanya terjadi pd MM fiber
Fakultas Teknik Elektro 23
Group delay
Time delay atau Group delay per satuan panjang :
/2
2
11
1
2
k
dk
dcV
d
d
cdk
d
cVL
g
g
g
: kec energi dlm pulsa yg
merambat sepanjang fiber
Dimana :
L : jarak yg dicapai oleh pulsa
β : konstanta propagasi sepanjang sumbu fiber
Fakultas Teknik Elektro 24
d
d g
2
222
2
d
d
d
d
c
L
d
d g
g
Selisih Total delay sepanjang fiber L :
Pelebaran pulsa dpt didekati dgn lebar pulsa rms :
Dispersi :
d
d
LD
g1
Satuan dispersi : picosecond per kilometer per
nanometer
Fakultas Teknik Elektro 25
Dispersi material
• Dikenal juga sbg dispersi kromatis atau spektral.
• Terjadi karena variasi indeks bias bahan inti yg merupakan
fungsi panjang gelombang, serupa dng efek prisma
menguraikan spektrum, akibatnya terjadi kec grup berbeda
setiap moda yg tergantung pd panjang gelombang,
selanjutnya mengakibatkan terjadinya pelebaran pulsa .
d
dnn
c
L
n
d
d
cdk
d
cL
mat
g
2
2
1 2
Karena
dan
Maka :
Fakultas Teknik Elektro 26
Pelebaran pulsa dr suatu sumber yg memiliki lebar
spektral σλ karena dispersi material :
2
2
2
2
1
d
nd
cD
LDd
nd
c
L
d
d
mat
matmat
mat
: Dispersi material
Fakultas Teknik Elektro 28
Dispersi material silika
murni dan GeO2-SiO2
sbg fungsi panjang
gelombang
Fakultas Teknik Elektro 29
Dispersi pandu gelombang
• Terjadi karena tidak semua cahaya yang
diterima detektor melalui inti, tetapi sebagian
cahaya merambat melalui kulit.
• Besarnya dispersi pandu gelombang tergantung
pada rancangan fiber, karena konstanta
propagasi β merupakan fungsi 1/λ.
• Utk penyederhanaan dlm perhitungan
diasumsikan bhw indeks bias material tidak
tergantung pada panjang gelombang.
Fakultas Teknik Elektro 30
Konstanta propagasi normalisasi :
1
/
/
2
21
2
2
2
2
1
2
2
2
bkn
nn
nkb
nn
nkb
Utk ∆ <<<
atau
Group delay krn dispersi pandu gelombang :
dV
Vbdnn
c
L
kannnkaV
dk
kbdnn
c
L
dk
d
c
L
wg
wg
22
2
2
2
2
1
22
2
maka
Utk ∆ <<
Utk fiber MM dispersi PG << dispersi material dispersi PG dpt diabaikan
Fakultas Teknik Elektro 31
wg
wg
wg
wg
wg
wg
D
dV
VbdV
c
Ln
dV
dV
LDd
d
2
2
2
Pelebaran pulsa karena dispersi pandu gelombang :
: Dispersi pandu gelombang
:
:
22
mod
wg
m
wgmi
Pelebaran pulsa karena dispersi intramodus :
Pelebaran pulsa krn dispersi material
Pelebaran pulsa krn dispersi pandugelombang
Fakultas Teknik Elektro 34
Distorsi sinyal pd fiber SM
Dispersi pandu gelombang dan dispersi material pd SM
memiliki nilai dlm orde yg hampir sama.
Contoh besarnya dispersi material dan PG sbg fungsi
panjang gelombang pd fiber SM silika
Fakultas Teknik Elektro 35
Dispersi antar modus
• Merupakan hasil dr perbedaan nilai group delay (kec
group axial) dr setiap modus individual pd satu frekuensi.
L
Tmax
Tmin
c
LnTTsi
1minmaxmod
Pelebaran pulsa krn dispersi
antar modus :
Fakultas Teknik Elektro 36
Pelebaran Pulsa pd Fiber GI
• Keuntungan profil indeks bias gradual adalah menawarkan
propagasi MM pd inti yg relatif besar dan kemungkinan
distorsi delay antar modus yg rendah.
• Karena indeks bias dibagian luar inti lebih rendah dr pd di
pusat inti maka cahaya akan merambat lebih cepat di bagian
luar inti dr pd di pusat inti. V = c/n
Pelebaran pulsa krn dispersi antar modus (untuk α = 2) :
sigi
gic
Ln
modmod
2
1mod
8
8
atau
Fakultas Teknik Elektro 37
:
:
mod
mod
2
mod
2
mod
a
i
ai
Pelebaran pulsa pd fiber MM :
Pelebaran pulsa krn dispersi intramodus
Pelebaran pulsa krn dispersi antarmodus