1. Pendahuluan
Bab Sepuluh ini membahas konsep optika yang paling relevan untuk sistem komunikasi fiber optik. Fokus bab ini bukan pada cermin dan lensa secara umum, melainkan pada indeks bias, hukum Snell, pemantulan internal total, numerical aperture, mode, redaman, dispersi, bending loss, dan power budget. Semua konsep tersebut menjadi fondasi bagi mata kuliah Sistem Komunikasi Fiber Optik dan Praktikum Sistem Komunikasi Fiber Optik.
Gambar 10.1 Peta kontribusi optika serat terhadap mata kuliah fiber optik.
Fiber optic bekerja dengan memandu cahaya di dalam core melalui perbedaan indeks bias antara core dan cladding. OpenStax menjelaskan bahwa fiber optics memanfaatkan total internal reflection untuk mentransmisikan cahaya sepanjang serat [2]. Standar ITU-T G.650.1 dan G.652 kemudian memberikan definisi, parameter, dan karakteristik fiber single-mode yang digunakan pada jaringan telekomunikasi [6], [7].
2. Struktur Dasar Fiber Optik
Fiber optic terdiri atas core, cladding, coating, dan jacket. Core adalah bagian tengah tempat cahaya dipandu. Cladding mengelilingi core dan memiliki indeks bias sedikit lebih rendah. Perbedaan indeks bias ini memungkinkan terjadinya pemantulan internal total pada batas core–cladding.
Gambar 10.2 Struktur dasar fiber optic.
Secara ideal, indeks bias dinyatakan sebagai:
�
� = �
Dengan � adalah kecepatan cahaya di vakum dan � adalah kecepatan cahaya dalam medium. Karena
� < �, indeks bias material optik umumnya lebih besar dari satu.
Syarat dasar fiber step-index adalah:
�1 > �2
Dengan �1 adalah indeks bias core dan �2 adalah indeks bias cladding. Perbedaan ini biasanya kecil, tetapi sangat penting bagi pemanduan cahaya.
3. Hukum Snell pada Fiber
Ketika cahaya melewati batas dua medium, arah rambatnya berubah sesuai hukum Snell [2].
�1sin�1 = �2sin�2
Dalam fiber, hukum Snell menjelaskan bagaimana cahaya masuk dari udara ke core dan bagaimana cahaya berinteraksi dengan batas core–cladding. Jika sudut datang pada batas core–cladding cukup besar, cahaya tidak keluar ke cladding, tetapi dipantulkan kembali ke core.
4. Pemantulan Internal Total
Pemantulan internal total terjadi ketika cahaya merambat dari medium dengan indeks bias lebih tinggi menuju medium dengan indeks bias lebih rendah, dan sudut datang lebih besar daripada sudut kritis [2].
Gambar 10.3 Pemantulan internal total pada core fiber. Sudut kritis �� memenuhi:
Dengan syarat:
sin� = � 2
� �1
�� > ��
Jika syarat tersebut dipenuhi, maka cahaya akan tetap dipandu di dalam core. Konsep inilah yang menjelaskan mengapa sinyal optik dapat merambat jauh melalui fiber, meskipun fiber dibengkokkan secara wajar dan tidak selalu lurus sempurna.
5. Numerical Aperture dan Acceptance Angle
Tidak semua cahaya yang masuk ke ujung fiber akan terpandu. Cahaya harus masuk dalam kerucut penerimaan tertentu. Numerical aperture (NA) menyatakan kemampuan fiber menerima cahaya dari luar.
Gambar 10.4 Acceptance cone dan numerical aperture.
Untuk fiber step-index yang berada pada medium luar dengan indeks �0, numerical aperture dapat ditulis sebagai:
NA = �0sin��
Jika medium luar adalah udara, maka �0 ≈ 1, sehingga:
NA ≈ sin��
Untuk fiber step-index:
2 2
NA = √�1 − �2
Dengan �� adalah acceptance angle. Semakin besar NA, semakin mudah cahaya masuk ke fiber, tetapi pada fiber multimode hal ini juga berkaitan dengan jumlah mode dan dispersi modal.
6. Single-Mode dan Multimode
Mode adalah pola rambat cahaya yang dapat dipandu oleh fiber. Pada fiber multimode, banyak lintasan atau mode dapat merambat. Pada fiber single-mode, hanya mode fundamental yang efektif merambat.
Gambar 10.5 Perbandingan single-mode dan multimode.
Parameter normalized frequency atau V-number untuk fiber step-index ditulis sebagai:
2��
� = NA
�
Dengan � adalah radius core dan � adalah panjang gelombang. Fiber step-index umumnya single- mode jika:
� < 2.405
Konsep ini tidak perlu dihitung mendalam pada mata kuliah Fisika, tetapi penting agar kita memahami bahwa ukuran core, panjang gelombang, dan NA menentukan jumlah mode yang dapat merambat.
7. Redaman Fiber
Redaman menyatakan penurunan daya optik sepanjang fiber. Dalam bentuk logaritmik, redaman total ditulis sebagai:
���
��� = 10log10 ( )
���
Jika redaman diberikan dalam dB/km, maka redaman fiber sepanjang � km adalah:
������ = 𝛼�
Dengan 𝛼 adalah koefisien redaman dalam dB/km. ITU-T G.652 menetapkan karakteristik fiber single-mode yang umum dipakai pada jaringan telekomunikasi [7].
Gambar 10.6 Jendela redaman fiber optik.
Secara praktis, sistem telekomunikasi fiber banyak menggunakan panjang gelombang sekitar 1310 nm dan 1550 nm karena redaman dan dispersi relatif menguntungkan pada wilayah tersebut. Nilai detail bergantung pada jenis fiber, standar, vendor, kondisi instalasi, dan metode pengukuran.
8. Dispersi
Dispersi adalah pelebaran pulsa optik selama merambat dalam fiber. Jika pulsa melebar terlalu besar, pulsa berdekatan dapat saling tumpang tindih dan menyebabkan kesalahan deteksi pada receiver.
Gambar 10.7 Pelebaran pulsa akibat dispersi.
Secara sederhana, pelebaran pulsa akibat dispersi kromatik dapat ditulis sebagai:
�� = |�|���
Dengan � adalah parameter dispersi, �� adalah lebar spektrum sumber cahaya, dan � adalah panjang fiber. Persamaan ini menunjukkan bahwa bitrate tinggi dan jarak panjang memerlukan kontrol dispersi yang baik.
Jenis dispersi yang penting adalah dispersi modal, dispersi kromatik, dan dispersi polarisasi. Dispersi modal dominan pada multimode, sedangkan dispersi kromatik dan polarization mode dispersion lebih relevan pada single-mode berkecepatan tinggi.
9. Bending Loss
Bending loss terjadi ketika fiber dibengkokkan terlalu tajam sehingga sebagian mode tidak lagi terpandu sempurna dan energi optik keluar dari core.
Gambar 10.8 Ilustrasi bending loss pada fiber.
Dalam praktik instalasi, bending loss menjadi alasan mengapa kabel fiber memiliki minimum bend radius. Jika teknisi menggulung fiber terlalu kecil, menekan patch cord, atau membengkokkan drop cable secara tajam, redaman dapat meningkat dan link menjadi tidak stabil.
10. Power Budget Fiber
Power budget digunakan untuk memastikan bahwa daya optik yang diterima masih berada di atas sensitivitas receiver setelah dikurangi seluruh rugi-rugi link.
Gambar 10.9 Konsep power budget fiber.
��� = ��� − ������ − ���������� − ������� − ��������� − �
Dengan � adalah margin sistem. Link dianggap layak jika:
��� ≥ �����
Pada jaringan PON, splitter loss sering menjadi komponen rugi-rugi terbesar. Pada link point-to-point panjang, redaman fiber dan sambungan menjadi komponen utama.
11. WDM, PON, dan OTDR
Wavelength Division Multiplexing (WDM) memungkinkan beberapa sinyal dengan panjang gelombang berbeda dikirim melalui fiber yang sama [9], [10].
Gambar 10.10 Konsep WDM pada fiber optik.
Pada Passive Optical Network (PON), satu port OLT dapat melayani banyak ONT melalui splitter pasif.
Gambar 10.11 Konsep PON/FTTx.
OTDR digunakan untuk melihat karakteristik link fiber terhadap jarak. Dari trace OTDR, teknisi dapat mengidentifikasi konektor, splice, bending, putus kabel, dan ujung link.
Gambar 10.12 Ilustrasi trace OTDR.
12. Studi Kasus: Link Fiber dengan Splitter
Sebuah link PON memiliki daya keluaran OLT 3 dBm, loss fiber 4 dB, loss konektor total 1 dB, loss splice 0,5 dB, splitter loss 17 dB, dan margin 3 dB. Daya terima diperkirakan:
��� = 3 − 4 − 1 − 0.5 − 17 − 3 = −22.5 dBm
Jika sensitivitas ONT adalah −27 dBm, maka link masih memenuhi syarat karena:
−22.5 dBm ≥ −27 dBm
Namun, margin aktual perlu diperiksa dengan OPM/OLS atau OTDR karena kondisi lapangan dapat berbeda dari asumsi desain.
13. Materi Pengayaan
Materi berikut cukup menjadi bacaan mandiri:
1. mode field diameter;
2. polarization mode dispersion;
3. nonlinearity pada fiber optik;
4. DWDM grid;
5. EDFA dan optical amplifier;
6. OTDR dead zone;
7. return loss dan reflectance.
14. Ringkasan
Bab ini menjelaskan bahwa fiber optik bekerja karena indeks bias core lebih besar daripada cladding sehingga cahaya dapat dipandu melalui pemantulan internal total. Kinerja fiber dipengaruhi oleh numerical aperture, mode, redaman, dispersi, bending, sambungan, konektor, dan splitter. Pemahaman bab ini menjadi dasar bagi Sistem Komunikasi Fiber Optik, Praktikum Fiber Optik, FTTx, PON, WDM, dan troubleshooting link optik.
15. Soal Latihan
- Kecepatan cahaya dalam fiber adalah 2,0×10⁸ m/s. Hitung indeks bias efektifnya.
- Cahaya dari udara masuk core n=1,50 pada sudut 30°. Hitung sudut refraksi di core.
- Core memiliki n1=1,48 dan cladding n2=1,46. Hitung sudut kritis.
- Untuk ncore=1,48 dan nclad=1,46 di udara, hitung numerical aperture.
- Dari NA pada soal sebelumnya, hitung acceptance half-angle di udara.
- Fiber step-index memiliki radius core 4,1 μm, NA=0,12, λ=1,55 μm. Hitung V-number dan tentukan kondisi single-mode.
- Fiber memiliki redaman 0,20 dB/km sepanjang 20 km. Hitung loss fiber.
- Transmitter +3 dBm; loss fiber 4 dB; konektor total 1 dB; splice 0,5 dB; splitter 17 dB; margin 3 dB. Hitung daya terima desain.
- Jika sensitivitas receiver −28 dBm untuk kasus sebelumnya, hitung margin tersisa terhadap sensitivitas.
- Fiber memiliki D=17 ps/(nm·km), Δλ=0,10 nm, L=50 km. Hitung pelebaran pulsa kromatik.
- Mengapa pembengkokan fiber terlalu tajam menambah loss?
- Jelaskan perbedaan fisik single-mode dan multimode.
- Mengapa 1310 nm dan 1550 nm umum pada telekomunikasi fiber?
- Jelaskan fungsi WDM secara fisik.
- Apa informasi utama yang diperoleh dari trace OTDR?
16. Pembahasan Soal
1. Pembahasan Soal 1
Diketahui:
Ditanya: n. Rumus/Ketentuan:
� = 3,0 × 108�/�; � = 2,0 × 108�/�
Jawab: Hasil akhir:
Indeks bias efektif adalah 1,50.
2. Pembahasan Soal 2
Diketahui:
Ditanya: θ2. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
�
� = �
� = 1,5
�1 = 1; �2 = 1,5; �1 = 30∘
�1����1 = �2����2
1
Hasil akhir:
Sudut refraksi sekitar 19,5°.
3. Pembahasan Soal 3
Diketahui:
�2 = sin−1 ((
1,5
) sin30∘) = 19, 47∘
Ditanya: θc. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
�1 = 1,48; �2 = 1,46
sin� = � 2
� �1
Hasil akhir:
�� = sin−1 (
1,46
) ≈ 80, 57∘
1,48
Sudut kritis sekitar 80,6° terhadap normal.
4. Pembahasan Soal 4
Diketahui:
Ditanya: NA. Rumus/Ketentuan:
�1 = 1,48; �2 = 1,46
2 2
NA = √�1 − �2
Jawab:
Hasil akhir:
NA sekitar 0,243.
5. Pembahasan Soal 5
Diketahui:
Ditanya: θa. Rumus/Ketentuan:
Jawab: Hasil akhir:
NA = √1, 482 − 1, 462 ≈ 0,2425
NA = 0,2425; �0 ≈ 1
NA = �0sin��
�� = sin−1(0,2425) ≈ 14, 03∘
Acceptance half-angle sekitar 14,0°.
6. Pembahasan Soal 6
Diketahui:
Ditanya:
V dan status. Rumus/Ketentuan:
� = 4,1��; NA = 0,12; � = 1,55��
2��
Jawab:
� = (
�
) NA; sin��� − ��������� < 2,405
2� × 4,1
Hasil akhir:
� ≈ (
1,55
) 0,12 ≈ 1,99
V≈1,99 sehingga memenuhi syarat single-mode ideal.
7. Pembahasan Soal 7
Diketahui:
Ditanya: Afiber. Rumus/Ketentuan:
Jawab: Hasil akhir:
𝛼 = 0,20dB/km; � = 20km
� = 𝛼�
� = 0,20 × 20 = 4dB
Loss fiber adalah 4 dB.
8. Pembahasan Soal 8
Diketahui:
Ditanya: Prx. Rumus/Ketentuan:
Jawab: Hasil akhir:
��� = +3dBm; ������ = 4 + 1 + 0,5 + 17 + 3dB
��� = ��� − 𝛴����
��� = 3 − 25,5 = −22,5dBm
Daya terima desain adalah −22,5 dBm.
9. Pembahasan Soal 9
Diketahui:
Ditanya: Margin. Rumus/Ketentuan:
Jawab: Hasil akhir:
��� = −22,5dBm; ����� = −28dBm
������ = ��� − �����
������ = −22,5 − (−28) = 5,5dB
Margin terhadap sensitivitas adalah 5,5 dB.
10. Pembahasan Soal 10
Diketahui:
Ditanya: Δt. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
17ps
� =
�� · km
; �� = 0,10��; � = 50km
�� = � �� �
Hasil akhir:
Pelebaran pulsa sekitar 85 ps.
11. Pembahasan Soal 11
Diketahui:
�� = 17 × 0,10 × 50 = 85ps
Fiber dibengkokkan dengan radius kecil.
Ditanya:
Mekanisme bending loss. Rumus/Ketentuan:
��������� ���������� ���� ������� ���/����� ����.
Jawab:
Kelokan tajam mengubah kondisi pemanduan sehingga sebagian medan optik keluar dari core dan diradiasikan.
Hasil akhir:
Macrobending terlalu tajam meningkatkan redaman.
12. Pembahasan Soal 12
Diketahui:
Mode adalah pola medan yang dapat dipandu. Ditanya:
Perbedaan utama.
Rumus/Ketentuan:
Jawab:
� − ������ ���������� ��������� ����.
Single-mode hanya mendukung mode fundamental; multimode mendukung banyak mode dengan waktu tempuh berbeda.
Hasil akhir:
Multimode lebih rentan terhadap dispersi modal dibanding single-mode.
13. Pembahasan Soal 13
Diketahui:
Silica memiliki karakteristik loss dan dispersi yang bergantung λ.
Ditanya:
Alasan pemilihan window. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
������������� ����������� ��� ����������.
Wilayah 1310 nm memiliki dispersi kromatik rendah pada fiber tertentu, sedangkan 1550 nm memiliki redaman sangat rendah dan cocok untuk amplifier optik/WDM.
Hasil akhir:
Kedua window memberi kompromi transmisi yang menguntungkan.
14. Pembahasan Soal 14
Diketahui:
Beberapa panjang gelombang dapat dipandu bersamaan. Ditanya:
Prinsip WDM. Rumus/Ketentuan:
Jawab:
�����������������ℎ�
� �����
Multiplexer menggabungkan beberapa λ ke satu fiber dan demultiplexer memisahkannya kembali.
Hasil akhir:
WDM meningkatkan kapasitas fiber dengan multiplexing panjang gelombang.
15. Pembahasan Soal 15
Diketahui:
OTDR mengirim pulsa dan mengukur backscatter/reflection terhadap waktu. Ditanya:
Informasi trace.
Rumus/Ketentuan:
Jawab:
��
Jarak ≈
2
Sumbu jarak menunjukkan posisi event; perubahan level/slope menunjukkan loss fiber, splice, konektor, refleksi, atau ujung link.
Hasil akhir:
OTDR membantu melokalisasi loss dan event sepanjang fiber.
17. Daftar Referensi
[1] BIPM, The International System of Units (SI), 9th ed., Bureau International des Poids et Mesures. Tautan: https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure
[2] OpenStax, University Physics Volume 3, Rice University. Tautan:
https://openstax.org/details/books/university-physics-volume-3
[3] NASA, Introduction to the Electromagnetic Spectrum. Tautan:
https://science.nasa.gov/ems/01_intro/
[4] ITU-R, Recommendation ITU-R P.525: Calculation of free-space attenuation. Tautan: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.525
[5] ITU-R, Recommendation ITU-R P.526: Propagation by diffraction. Tautan: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.526
[6] ITU-T, Recommendation ITU-T G.650.1: Definitions and test methods for linear, deterministic attributes of single-mode fibre and cable. Tautan: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.650.1
[7] ITU-T, Recommendation ITU-T G.652: Characteristics of a single-mode optical fibre and cable. Tautan: https://www.itu.int/rec/T-REC-G.652
[8] G. Keiser, Optical Fiber Communications, McGraw-Hill. Tautan penerbit: https://www.mheducation.com/
[9] G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems, Wiley. Tautan penerbit:
https://www.wiley.com/
[10] B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley. Tautan penerbit:
https://www.wiley.com/
[11] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley. Tautan penerbit:
https://www.wiley.com/
[12] D. M. Pozar, Microwave Engineering, Wiley. Tautan penerbit: https://www.wiley.com/
[13] ITU-R, Recommendation ITU-R P.838: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods. Tautan: https://www.itu.int/rec/R-REC-P.838
