Makalah OSN PTI 2011 Tingkat ProvinsiTRANSMISI CAHAYA MELALUI SERAT OPTIS

Nama: Sunkar Eka GautamaNo. Peserta: 29020017

Jurusan Fisika FMIPA Universitas Hasanuddin2010

BAB IPENDAHULUAN

A. Latar BelakangSerat optik atau fiber optic (optical fiber) merupakan suatu teknologi yang menggunakan impuls cahaya/sinar sebagai penyampai pesan data digital. Keuntungan cahaya dibandingkan dengan listrik ialah cahaya memiliki kelajuan yang tinggi dan tidak terpengaruh oleh medan listrik. Namun sebagaimana penghantaran energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain, dari satu tempat ke tempat yang lain, selalu ada energi yang hilang atau biasa disebut loss energy. Besarnya loss energy diakibatkan efisiensi dari serat optik yang rendah akibat bocornya energi dalam perjalanan. Makalah yang itujukan sebagai syarat dalam penyelesaian soal open ended OSN Pertamina ini memaparkan mengenai Fenomena fisis yang mendasari transmisi cahaya pada serat optik dan model yang menjelaskan loss energy dalam transmisi cahaya.

B. Rumusan Masalah1. Apakah yang mendasari transmisi cahaya dalam kabel serat optis? 2. Parameter apa saja yang berpengaruh dalam transmisi cahaya pada kabel serat optis?3. Faktor apa sajakah yang mempengaruhi energy loss pada transmisi cahaya?4. Bagaimana menghitung total pelemahan (attenuation) cahaya pada kabel serat optis?5. Apa yang perlu dilakukan untuk mengurangi energi loss pada transmisi cahaya? 6. Model apakah yang cocok atau mendekati untuk menjelaskan faktor loss perambatan cahaya dalam kabel serat optis?

C. Tujuan PenelitianAdapun tujuan penelitian ini yaitu :1. Untuk mengetahui fenomena fisis yang mendasari transmisi cahaya dalam kabel serat optis.2. Untuk mengetahui parameter fisis yang berperan dalam transmisi cahaya pada kabel serat optis.3. Untuk mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi energy loss pada transmisi cahaya.4. Untuk menghitung perkiraan pelemahan (attenuation) cahaya pada kebel serat optis.5. Mengetahui metode atau hal-hal yang dapat digunakan untuk mengurang energi loss.6. Untuk mengetahui model perambatan faktor loss perambatan cahaya pada serat optis.

D. Hipotesis Hipotesis yang dapat dirumuskan sebelum melakukan penelitian ini ialah: 1. Cahaya dirambatkan dalam serat optis melalui suatu mekanisme yaitu refleksi gara cahaya tak dapat keluar dari serat optis tersebut.2. Energi cahaya yang lolos berasal dari pemantulan yang tidak sempurna dan penyerapan oleh substansi serat optis.3. Total energi loss bersifat linear terhadap faktor-faktor penyebabnya, dengan kata lain total energy loss ialah jumlah energy loss yang ditimbulkan oleh faktor-faktor yang berbeda.

E. Metodologi SingkatMetodologi yang digunakan secara ringkas dapat dituliskan sebagai berikut: 1. Peninjauan pustaka mengenai serat optik dan transmisi cahaya di dalamnya.2. Pengamatan melalui eksperimen sederhana untuk membuktikan efek pembiasan (refraksi) dapat berlaku seperti pemantulan (refleksi), yaitu jika sudut bias 2 > 90, sekaligus menunjukkan kelemahan dari rumus pembiasan n1 sin 1 = n2 sin 2.3. Melakukan peninjauan persamaan pemantulan pada core-cladding.4. Melakukan peninjauan persamaan hamburan Rayleigh untuk serat optik akibat ketidakhomogenan material.5. Melakukan peninjauan terhadap penyerapan cahaya oleh material core.6. Menggabungkan hasil dari metode-metode sebelumnya untuk menentukan pelemahan dan model perambatan cahaya pada serat optis.

BAB IIMETODOLOGI

1. FIBER OPTICSSerat optik atau optical fiber merupakan suatu kabel yang berfungsi untuk mentransmisikan sinyal-sinyal digital dalam bentuk gelombang cahaya. Susunan utama serat optik ialah sebagai berikut:1. Core, merupakan serabut kaca mikroskopis yang berdiameter beberapa mikron hingga beberapa puluh mikron. Di bagian inilah cahaya ditransmisikan. Core dibuat dari kaca murni untuk membuat daya serapnya menjadi sekecil mungkin dan ukurannya dibuat setipis mungkin agar tak mudah patah/retak.2. Cladding, serat kaca yang membungkus core. Seperti halnya core, cladding juga terbuat dari kaca murni dan indeks biasnya lebih kecil daripada core agar dapat memantulkan kembali cahaya yang mengarah keluar dari core kembali kedalam core lagi.3. Buffer, terbuat dari resin atau plastik untuk menambah kekuatan untuk kabel serat optik, walaupun tidak memberikan peningkatan terhadap sifat gelombang pandu optik pada kabel tersebut. Namun lapisan resin ini dapat menyerap cahaya dan mencegah kemungkinan terjadinya kebocoran cahaya yang keluar dari selubung inti. Serta hal ini dapat juga mengurangi cross talk yang mungkin terjad.4. Jacket atau pembungkus terluar, terbuat dari karet kuat yang membungkus buffer (bisa lebih dari satu) untuk melindungi serat optik dari kelembaban dan gangguan luar.Pembagian serat optik dapat dilihat dari 2 macam perbedaan:1. Berdasarkan mode yang dirambatkan:1.1. Single mode: serat optik dengan inti (core) yang sangat kecil (biasanya sekitar 8,3 mikron), diameter intinya sangat sempit mendekati panjang gelombang cahaya yang masuk ke dalamnya tidak terpantul-pantul ke dinding selongsong (cladding). Bahagian inti serat optik single-mode terbuat dari bahan kaca silika (SiO2) dengan sejumlah kecil kaca Germania(GeO2) untuk meningkatkan indeks biasnya. Untuk mendapatkan performa yang baik pada kabel ini, biasanya untuk ukuran selongsongnya adalah sekitar 15 kali dari ukuran inti (sekitar 125 mikron). Kabel untuk jenis ini paling mahal, tetapi memiliki pelemahan (kurang dari 0.35dB per kilometer), sehingga memungkinkan kecepatan yang sangat tinggi dari jarak yang sangat jauh. Jenis single mode digunakan untuk mentransmisikan sinar laser (1.300 nm 1.550 nm) 1.2. Multi mode : serat optik dengan diameter core yang agak besar (sekitar 62,5 mikron) yang membuat laser di dalamnya akan terpantul-pantul di dinding cladding yang dapat menyebabkan berkurangnya bandwidth dari serat optik jenis ini. Multi mode dapat mentransmisikan sinar inframerah dari LED dengan panjang gelombang 850 nm hingga 1.300 nm.2. Berdasarkan indeks bias core2.1. Step indeks: pada serat optik step indeks, core memiliki indeks bias yang homogen.2.2. 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.

2. FENOMENA FISIS YANG MENDASARI KERJA FIBER OPTICSerat optik tersusun dari core yang merupakan lintasan bagi impuls cahaya yang diselubungi oleh cladding, buffer dan jacket. Agar dapat mentransmisikan data-data digital untuk komunikasi dan sebagainya diperlukan setidaknya dua core, satu sebagai transmitter (pengirim) dan satu sebagai receiver (penerima). Data yang ingin ditransmisikan dikodekan (encoding) menjadi data digital yang kemudian dibangkitkan dalam bentuk impuls-impuls sinar. Sinar dikirimkan dalam bentuk impuls dari suatu pembangkit impuls seperti laser atau LED yang kemudian dijalarkan melalui serat optik (kabel transmitter). Setelah sampai pada penerima, impuls-impuls tadi diterjemahkan kembali (decoding) dalam data digital yang kemudian ditampilkan oleh instrumen digital. Encoding dan dan decoding dapat dibangun dalam sistem biner (on-off) yang dikirimkan melalui impuls dengan periode tertentu.

Gambar 2.1 : Skema perjalanan sinar yang ditransmisikan melalui core, sinar memantul-mantul dalam core akibat perbedaan indeks bias dengan lapisan yang lebih luar (kiri). Penampang melintang suatu serat optik tunggal, core berukuran mikroskopis sehingga hampir tak mungkit terlihat oleh mata (kanan).Sumber: How Fiber Optics Work by Craig C. Freudenrich, Ph.D.

Refleksi

Gambar 2.2 : Skema pembiasan cahaya pada dua medium yang berbeda jenis.Menggunakan rumus pembiasan cahaya yang merambat pada medium yang berbeda di mana n ialah indeks bias medium

Agar cahaya dibiaskan kearah dalam maka 2 harus lebih besar daripada 1, sehingga n1 > n2. Untuk mengurangi cahaya keluar dari core, maka 2 haruslah lebih besar daripada 90 sehingga didapatkan sudut minimal bagi 1 yaitu:

Jadi agar tidak ada cahaya yang lolos dari core maka sudut cahaya terhadap garis normal harus lebih besar dari , atau jika sudut datang diukur dari bidang pantul = 90 - .

Gambar 2.3 : Sudut kritis dalam pembisan sinar pada core gladding.Sumber: How Fiber Optics Work by Craig C. Freudenrich, Ph.D.

Gambar 2.4 : Ilustrasi refleksi cahaya akibat perbedaan indeks bias core dan cladding. Sudut diukur dari garis normal dan sudut diukur dari bidang pantul .

Persoalan kemudian ialah apakah cahaya bisa lolos dari core sehingga menyebabkan energy loss melalui pemantulan ini? Jika sudut awal sinar, 1 > C, maka sinar akan dipantulkan dengan sudut

Karena n1/n2 >1 dan nilai sin x semaikin besar jika x semakin besar dalam rentang 0 90 maka:

Untuk 0