MAKALAH OSN-PERTAMINA 2011

BIDANG FISIKA

TRANSMISI CAHAYA MELALUI SERAT

OPTIS

Oleh:

ETHELBERT DAVITSON PHANIAS

22020003

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKAJURUSAN PENDIDIKAN MIPA

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKANUNIVERSITAS PALANGKARAYA

2011

KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan Puji Syukur Kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang

telah melimpahkan rahmat-Nya, sehingga penulisan makalah dengan judul

“Transmisi Cahaya melalui Serat Optis” ini dapat selesai sesuai waktu yang

ditentukan, makalah ini disusun untuk memenuhi syarat FINAL SELEKSI OSN

PERTAMINA TINGKAT PROVINSI.

Saya menyadari dalam pembuatan makalah ini masih cukup banyak

terdapat kekurangan-kekurangan. Sehingga saya juga mengharapkan kritik dan

saran yang sifatnya membangun untuk kesempurnaan makalah ini lebih lanjut.

Atas perhatian dan partisipasinya saya selaku penyusun mengucapkan

terima kasih. Semoga makalah ini bermanfaat bagi kita semua. AMIN.

Palangka Raya, Oktober 2011

Ethelbert Davitson Phanias

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Fisika mempunyai kaitan yang erat di berbagai kehidupan misalnya

dalam bidang teknologi. Fisika juga menjadi pilar utama untuk kemajuan

teknologi, dimana untuk mendukung kebutuhan akan komunikasi

berkecepatan tinggi dan berkapasitas besar. Berkembangnya teknologi

telekomunikasi adalah titik tolak dan potensi besar untuk dapat meningkatkan

dan mewujudkan berbagai jenis pelayanan komunikasi.

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 optis. 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 ilmuawan Inggris pada tahun

1958 mengusulkan prototipe serat optis yang sampai sekarang dipakai yaitu

yang terdiri atas gelas inti yang dibungkus oleh gelas lainnya.

Sistem komunikasi Serat Optis mempunyai peran yang sangat penting

untuk mendukung jaringan komunikasi kecepatan tinggi dalam orde giga bit

per second (Gbps) hingga Terra bit per second (Tbps).

1.2 Permasalahan

1. Bagaimana proses terjadinya Transmisi cahaya melalui Serat Optis?

2. Bagaimana proses faktor loss pada Serat Optis?

1.3 Hipotesis

Hipotesis yang digunakan dalam makalah ini yaitu konsep Hukum

Snellius pada serat optis.

1.4. Tujuan

1. Untuk mengetahui proses transmisi cahaya melalui Serat Optis.

2. Untuk mengetahui proses faktor loss pada Serat Optis.

1.5 Metodologi Singkat

Telekomunikasi yang mempergunakan gelombang elektromagnetik

maka pada serat optik gelombang cahayalah yang bertugas membawa sinyal

informasi. Pertama-tama microphone merubah sinyal suara menjadi sinyal

listrik. Kemudian sinyal listrik ini dibawa oleh gelombang pembawa cahaya

melalui serat optik dari pengirim (transmitter) menuju alat penerima

(receiver) yang terletak pada ujung lainnya dari serat. Modulasi gelombang

cahaya ini dapat dilakukan dengan merubah sinyal listrik termodulasi

menjadi gelombang cahaya pada transmitter dan kemudian merubahnya

kembali menjadi sinyal listrik pada receiver. Pada receiver sinyal listrik dapat

dirubah kembali menjadi gelombang suara.

Tugas untuk merubah sinyal listrik ke gelombang cahaya atau

kebalikannya dapat dilakukan oleh komponen elektronik yang dikenal dengan

nama komponen optoelectronic pada setiap ujung serat optik.

Dalam perjalanannya dari transmitter menuju ke receiver akan terjadi

redaman cahaya di sepanjang kabel serat optik dan konektor-konektornya

(sambungan). Karena itu bila jarak ini terlalu jauh akan diperlukan sebuah

atau beberapa repeater yang bertugas untuk memperkuat gelombang cahaya

yang telah mengalami redaman.

BAB IIMETODOLOGI

Fiber Optic (Serat optis) adalah saluran transmisi yang terbuat dari kaca

atau plastik yang digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu

tempat ke tempat lain. Serat optis adalah sebuah kaca murni yang panjang dan

tipis serta berdiameter sebesar rambut manusia berkisar antara 2 mm sampai 125

mm. Dalam upaya untuk memperoleh kinerja yang baik, biasanya serat ultra pure

fused silika adalah bahan yang sering digunakan sebagai bahan pembuat serat

optik karena memiliki loss keci.

Pada Serat Optis cahaya yang ada di dalam sulit keluar karena indeks bias

dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara. Sumber cahaya yang

digunakan adalah laser karena laser mempunyai spektrum yang sangat sempit.

Serat optik terdiri dari 2 bagian, yaitu cladding dan core. Cladding adalah

selubung dari core. Cladding mempunyai indek bias lebih rendah dari pada core

akan memantulkan kembali cahaya yang mengarah keluar dari core kembali

kedalam core lagi.

1. Core adalah bagian terdalam atau bagian inti dari serat optik yang terdiri

dari satu serat atau lebih, serat inilah yang merupakan jalur bagi sinyal

cahaya.

2. Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang

berfungsimemantulkan sinar kembali ke dalam inti(core).

3. Buffer Coating (pembungkus) atau bisa disebut jaket adalah bagian terluar

yang merupakan suatu plastik pelapis yang akan  melindungi serat optis

dari kerusakan akibat pengaruh luar. Seperti  kelembapan udara, abrasi dan

kerusakan.

Walaupun cahaya merambat sepanjang inti serat tanpa lapisan material kulit,

namun kulit memiliki beberapa fungsi:

1. Mengurangi cahaya yang loss dari inti ke udara sekitar.

2. Mengurangi loss hamburan pada permukaan inti.

3. Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan.

4. Menambah kekuatan mekanis.

2.1. Hukum Snellius

Hukum Snellius sangat kita pahami bersama dengan mudah karena

memang rumusannya sangat mudah dan 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 isotropic berbeda, seperti udara dan gelas. Hukum

ini menyebutkan bahwa “nisbah sinus sudut datang dan sudut bias adalah

konstan, yang tergantung pada medium (indeks bias medium)”.

Perumusan lain yang ekivalen adalah nisbah sudut datang dan sudut

bias sama dengan nisbah kecepatan cahaya pada kedua medium yang sama

dengan kebalikan nisbah indeks bias.

Perumusan matematis hukum Snellius adalah:

sin θ1

sin θ2

= ν1

ν2

= n2

n1

Atau

n1 sin θ1 = n2 sin θ2

Atau

v1sin θ2=v2sin θ1

Lambang θ1 , θ2 merujuk pada sudut datang dan sudut bias, v1dan v2

pada kecepatan cahaya sinar dating dan sinar bias. Lambang n1 menunjuk

pada indeks bias medium yang dilalui sinar datang, sedangkan n2 adalah

indeks bias medium yang dilalui sinar bias.

2.2. Penyebab Faktor Loss pada Serat Optis

Dalalm proses transmits cahaya ini perlu diperhitungkan faktor loss

(kehilangan energi) agar informasi dapat terkirim melalui jarak yang sangat

panjang (ribuan km) secara akurat. Faktor loss disebabkan oleh Penyebaran

Rayleigh, Penyerapan dan Penggadengan Ragam (Mode Coupling Losses).

2.2.1. Penyebaran Rayleigh

Pada core serat optik terjadi perubahan indeks bias yang lebih

pendek daripada panjang gelombang sinar yangdirambatkan, maka

akan terjadi hamburan.

Gambar 2. Penyebaran Rayleigh

Rumus yang digunakan untuk rugi-rugi penyebaran rayleigh,

sebagai berikut:

∞ S=34.748 π 3(n2 – 1)2k B T f βT

λ4 …………. (1)

Keterangan:

∞ S = Rugi-rugi Rayleigh (dB)

β t = Koefisien kemampatan isothermis bahan= 7.10-11 m2 /N

n = Indeks bias inti = 1.46

k B = konstanta Boltzman=1.38x10-23Joule/0K

Tf = suhu dimana fluktuasi kerapatan melebur dalam glass = 1400K

λ = panjang gelombang (m)

Tf = temperatur (0C/0K)

ΒT = isothermal coupressibility (m2/N)

2.2.2. Pembengkokan (Bending Losses)

Ada dua jenis pembengkokan yang menyebabkan rugi-rugi

dalam fiber, yaitu pembengkokan-mikro (microbending) dan

pembengkokan-makro (macrobending). Keduanya timbul karena

alasan yang berbeda, dan menimbulkan rugi-rugi dengan dua macam

mekanisme yang berbeda pula. Pembengkokan mikro adalah suatu

pembengkokan mikroskopis dari inti fiber yang disebabkan oleh laju

penyusutan (contraction) thermal yang sedikit berbeda antara bahan

inti dan bahan pelapis. Pembengkokan-mikro dapat juga timbul bila

fiber berulang kali digulung menjadi suatu kabel fiber majemuk

(multifiber cable), atau bila digulung pada kelos-kelos untuk

memudahkan pengangkutannya. Makin tajam belokan itu dibuat,

makin banyak pula ragam-ragam yang terlepas pada belokan.

Pembengkokan makro adalah pelengkungan fiber optis. Rugi-rugi

pembengkokan sebagai berikut:

Loss Pembengkokan = Loss pada kabel tidak dibengkokan -

Loss pada kabel dibengkokan. ……. (2)

Gambar 3. Pembengkokkan (Bending)

2.2.3. Penggandengan Ragam (Mode Coupling Losses)

Daya yang sudah dilepaskan dengan baik ke dalam suatu ragam

yang merambat mungkin kemudian digandengkan ke dalam suatu

ragam bocor atau ragam radiasi pada sebuah titik yang agak jauh pada

fiber. Efek penggandengan ini dapat terjadi karena rugi-rugi ini timbul

pada saat serat optis dikopel/disambungkan dengan sumber cahaya

atau photodetector. Rugi–rugi coupling dapat diperkecil dengan

penambahan lensa di depan sumber cahaya atau pembentukan

permukaan tertentu (misalnya spherical-surface) pada sumber cahaya

atau ujung fiber.

Gambar 4. Penggandengan ragam (Mode Coupling)

Rugi-rugi (Loss) penggandengan ragam secara umum sebagai

berikut:

μ=P¿/ Pout …….. (3)

maka

L = -10 log µ …….. (4)

Keterangan:

Pin = Daya yang dimasukkan ke dalam serat optik (Watt)

Pout = Daya yang dipancarkan oleh sumber cahaya (Watt)

µ = Efisiensi penyambungan

atau

L = -10 log η ………. (5)

dengan

η = 2π {cos−1 d

2 a− d

2 a √[1−( d2 a )

2]} ………. (6)

Keterangan:

L = Rugi-rugi (dB)

d = lebar antara sambungan (µm)

a = lebar kabel fiber (cm)

η = effisiensi

(Oktavianto Utomo Siswanto, Analisis Perhitungan Rugi-Rugi pada Serat Optik, hal. 1-2)

BAB IIIHASIL DAN ANALISA

3.1. Perhitungan Rugi-rugi Penghamburan Rayleigh

Untuk perhitungan rugi-rugi penghamburan rayleigh

menggunakan rumus yang terdapat pada teori sehingga dapat

membandingkan hasil dari perhitungan dan pengukuran rugi-rugi.

Dengan menggunakan persamaan (1) perhitungan rugi-rugi

penghamburan rayleigh dapat dilakukan berdasarkan data dari referensi

PT. Telkom, lihat pada tabel 1 sebagai berikut.

π λ N kb Tf βt ∞ S

3,14 1310 nm 1,4681 1,38x10-23 1400 K 7.10-11 m2/N -31,99 dB

3,14 1550 nm 1,4681 1,38x10-23 1400 K 7.10-11 m2/N -34,91 dB

Tabel 1. Nilai perhitungan rugi-rugi penyebaran Rayleigh

Dari hasil perhitungan rugi-rugi penyebaran Rayleigh diperoleh

perbandingan antara data perhitungan dengan data pengukuran rugi-rugi

yang dapat dilihat pada table 2 Sebagai berikut.

Data Hasil

Perhitungan

Data Hasil

Pengukuran

Selisih Data Hasil

Pengukuran dan

Perhitungan

-31.99 dB -35.9 dB 3.91 dB

-34.91 Db -37 dB 2.09dB

Table 2. Hasil perbadingan antara data perhitungan dengan data penelitian

pada rugi-rugi penyebaran Rayleigh

Pada analisis penyebaran rayleigh didapatkan nilai rugi-rugi yang

berbeda antara perhitungan berdasarkan teori dengan hasil pengukuran

rugi-rugi menggunakan OTDR. Dengan sumber panjang gelombang

sebesar 1310 nm nilai hasil perhitungan rugi-rugi berdasarkan teori

sebesar -31.8 dB sedangkan hasil pengukuran menggunakan OTDR

sebesar -35.9 dB sehingga didapatkan nilai selisih sebesar 4.1 dB. Hal ini

disebabkan karena pada waktu penyebaran, banyaknya sinar yang keluar

dari kabel serat optis kondisinya sudah tidak layak dipakai. Selain itu

juga perhitungan yang dilakukan pada pengukuran tidak sama dengan

teori.

3.2. Perhitungan Rugi-rugi Penggandengan

Dalam hal ini perhitungan rugi-rugi penggandengan berdasarkan

teori menggunakan nilai data yang diperoleh dari PT. Telkom. Pada

pengukuran rugi-rugi penggandengan menggunakan konektor dan

perhitungannya menggunakan persamaan (5) dan (6). Dari persamaan

tersebut maka dapat dilihat nilai rugi-rugi pergandengan pada tabel 3,

sebagai berikut:

Lebar antara

sambungan (d)

Lebar kabel

fiber (a)Efisiensi (µ)

Rugi-rugi

penggandengan (L)

1 µm 0,2 cm 0.999676 0.001406 dB

2 µm 0,2 cm 0.999352 0.002813 dB

3 µm 0,2 cm 0.999028 0.004221 dB

4 µm 0,2 cm 0.998704 0.005629 dB

5 µm 0,2 cm 0.998380 0.007038 dB

Tabel 3. Nilai Rugi-rugi Penggandengan

Pada analisis hasil rugi-rugi teknik penggandengan berlandaskan

teori sedangkan untuk pengukurannya ditetapkan sebesar 0.5 dB/buah.

Sehingga dapat dilihat bahwa perbandingan selisih antara perhitungan

dengan pengukuran rugi-rugi sangat jauh. Hal ini disebabkan tidak

optimalnya konektor yang dipakai, rugi-rugi intrinsik yang timbul dari

perbedaan serat yang disambung termasuk dari variasi dalam inti serat

dan diameter sebelah luar, serta perbedaan profil yaitu kelonjongan.

3.3. Perhitungan Rugi-rugi Penyambungan

Dalam penelitian di Telkom, nilai dari rugi-rugi penyambungan

berdasarkan pengukuran kabel serat optik 4.

No.

Serat

Panjang

Gelombang (λ)Lokasi Km

Redaman Sambungan (dB)

Fusion

SplicerOTDR

1 1310 nm 6 0 0,481

2 1550 nm 6 0 0.414

Tabel 4. Nilai Rugi-rugi Penyambungan

Pada analisis teknik penyambungan yang lama dengan menggunakan fusion

splicer dan OTDR didapatkan hasil pengukuran rugi-rugi yang berbeda, dimana

pada fusion splicer rugi-ruginya sebesar 0.000 dB dan pada OTDR antara 0.481

dB dan 0.414 dB. Hal ini disebabkan karena pada waktu proses penyambungan

pelurusan serat optis dilakukan dengan statistik, yaitu pelurusan serat optis dengan

cara pelurusan inti dan selubung. Dalam pelurusan serat optis disamping

kelurusan inti, kelurusan selubung juga diperhitungkan sehingga kelurusan inti

serat tidak optimal. (Oktavianto Utomo Siswanto, Analisis Perhitungan Rugi-Rugi

pada Serat Optik, hal. 8-9)

BAB IVKESIMPULAN

Bardasarkan hasil analisa di atas dapat disimpulakan bahwa:

1. Untuk menjelaskan bagaimana transmisi cahaya pada serat optis

digunakan dua pendekatan/teori, yaitu pendekatan cahaya sebagai sinar

(optic geometrik) dan cahaya sebagai gelombang elektro-magnetik (optic

fisis) / teori mode.

2. Secara umum rugi-rugi yang terjadi pada serat optis yaitu rugi-rugi

penyebaran rayleigh, rugi-rugi penggandengan, rugi-rugi penyambungan

dan rugi-rugi pembengkokan sedangkan rugi-rugi redaman pada konektor

merupakan rugi-rugi tambahan yang terjadi di serat optis.

REFERENSI

http://eprints.undip.ac.id/25571/1/ML2F303466.pdf

http://www.lontar.ui.ac.id/file?file=digital/126812-R0308165-Analisis%20power-

HA.pdf

http://bosgentongs.files.wordpress.com/2010/10/makalah-sistim-komunikasi-

serat-optik.pdf

http://eviandrianimosy.blogspot.com/2010/03/rugi-rugi-pada-serat-optik.html

http://hosborntwelve.blogspot.com/2011/03/cara-kerja-fiber-optik.html