OAN PL1 Dasar Optik.ppt

1

OPTICAL ACCESS NETWORKOPTICAL ACCESS NETWORK

Level-1 Dasar Sistem KomunikasiSerat Optik

2

DasarDasar SistemSistem KomunikasiKomunikasi FiberFiberOptikOptik

Perspektif historisPerkembangan SKSO

3

PerspektifPerspektif HistorisHistoris• Komunikasi gerakan tangan, mata

sebagai detektor dan otak sebagaiprosesor

• Komunikasi dengan menggunakanasap

• 1880, Graham Bell menemukansistem komunikasi cahaya disebutphotophone ! menggunakan cahayamatahari yang terpantul dari sebuahcermin tipis termodulasi voice. Dipenerima cahaya mataharitermodulasi itu jatuh pada cell selenium photoconducting yang langsung mengubahnya menjadi aruslistrik

• Lampu ! mengedip-kedipkan sesuaiinformasi yang dikirim

• 1960 ! penemuan laser, danpenemuan serat optik walaupun masihdengan redaman yang sangat besar

• 1970 ! penemuan serat optikredaman rendah

4

PerkembanganPerkembangan SKSOSKSO• Evolusi 4 generasi SKSO

0.1

1.0

10

100

1000

19761974 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990

800 nm, multimode

1300 nm, singlemode

1550 nm, singlemode

direct detection

1550 nm, singlemode

coherent detection

5 Gb/s, 233 km system with 5

optical amplifierscapacity

5

SistemSistem KomunikasiKomunikasi DasarDasar

Transmitter

Receiver

TransmissionChannel

Messagesource

Destination

Noise

Unguided→ komunikasiradio,TV, microwave, komber, dll

Guided → CATV, LAN, PSTN, dll

Speech, voice, data, video

Berfungsi untukmengubah sinyalinformasi agar sesuai denganmedium kanaltransmisi

Berfungsi untuk mendeteksi sinyal dari kanal, memisahkan bagian informasi danmembuang noise untuk diteruskan ke tujuan

6

ElemenElemen SKSOSKSO

Drive Circuit

Optical RX

OpticalTx

Electronic

Detektorcahaya

Sinyalinput elektrik

Transmitter

Receiver

Regenerator

Ke perangkat lain

Amplifier

SinyalOutputelektrik

coupler

connector Seratoptik

Optical Amplifier

SumberCahaya splice

prosesor

splice

7

ElemenElemen SKSOSKSO

Sumber Cahaya (LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) harusberdimensi kecil

Perlunya penggunaan Optical Amplifier (30 – 100-an Km)

connector

8

ElemenElemen SKSO (SKSO (jaringanjaringan))

• Repeater/Regenerator• Multiplexer:

– ADM (Add Drop Multiplexer), – DXC (Digital Cross Connect) – DWDM (Dense WDM), – CWDM (Coarse WDM),

• Wavelength Converter• Switch

9

SpektrumSpektrum FrekuensiFrekuensi OptikOptik

• Optik adalah gelombangelektromagnetik denganfrekuensi sangat tinggi

• Ordenya 1014 Hz

10

106

390

770

λ (nm)

Infrared

Cahayatampak

Ultraviolet800

2550

10

Besaran Besaran Penting

λλλλ = Panjang gelombang = wavelength, T = Perioda.

c = Kecepatan cahaya dalam ruang bebas / hampa = 300.000 km/s

λλλλ = T x c atau L = c/f di mana T = 1/f

NOTASI - NOTASI

11

SpektrumSpektrum FrekuensiFrekuensi OptikOptik

• Window Optik – range frekuensi optik di manaredaman serat optik paling rendah ! range frekuensi iniyang digunakan sebagaicarrier➣ Window Pertama

800 - 900 nm➣ Window Kedua

1300 nm➣ Window Ketiga

1550 nm

12

SpektrumSpektrum frekuensifrekuensi OptikOptik

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

Panjang Gelombang (nm)

0.1

1.0

10

Aten

uasi

(dB/

km)

Low water peak fiber

Standard water peak fiber

1625-1675 U-band1565-1625 L-band

1530-1565 C-band1460-1530 S-band

1360-1460 E-band1260-1360 O-band

DWDM

1310

Raman

CWDM (1270-1610 nm)

Moni

torin

g

EDFA

1550WWDM (>>>>50nm)

13

PerbandinganPerbandingan SKSOSKSO• Bandwidth lebar →

Kapasitas besar• Loss transmisi rendah• Kecil dan ringan• Kebal interferensi (EMI,

EMP)• Merupakan isolasi elektrik• Keamanan (tak bisa di-tap)• Bahan baku (SiO2)

melimpah

14

InstalasiInstalasi KabelKabel OptikOptik Aerial mounted cable

Directly buried cable Fiber in

the duct

Undersea optical cable

manhole

regenerator

regenerator

Fiber cable dalam

gedung

Gambar 1.6 Instalasi kabel optik

15

TeoriTeori CahayaCahaya

• Pendekatan optika geometris– Cahaya merambat lurus dengan kecepatan (c)

~ 3 x 108 m/s– Dalam medium lain → v = c/n ; n adalah

indeks bias medium– Hukum SNELL mengenai pemantulan

• Cahaya datang, cahaya pantul, dan garis normal terletak pada bidang datar

• Sudut datang = sudut pantul

16

TeoriTeori CahayaCahayan1

n2

θi θr

θt

θi = θr

2

1

sinsin

nn

i

t =θθ

– Hukum SNELL mengenaipembiasan

• n1<n2 → Cahaya terusdibelokkan mendekati normal

• n1>n2→ Cahaya terusdibelokkan menjauhi normal

Cahaya terus

Cahaya pantulCahaya datang

17

TeoriTeori CahayaCahaya– TIR (Total Internal

Reflection)

1

23

4

Kondisi ini sudut datangdisebut sudut kritis

Bila sudut datang > sudut kritis terjadi TIR

Cahaya datang darimedium denganindeks bias yang

lebih tinggi

Sudut datang semakinbesar, cahaya yang

terus makin menjauhinormal

Sudut pantul= 90o

18

TeoriTeori CahayaCahaya

• TIR (total Internal Reflection)

19

TeoriTeori CahayaCahaya• Pendekatan

Gelombang EM– Cahaya : Gelombang

EM → f ~ 1014 Hz

E = E0 sin (ωt – kz)E = E0e-αz sin (ωt – kz)

x

y

z

e-αz

20

TeoriTeori CahayaCahaya• Pendekatan

Gelombang EM– Polarisasi

gelombang EM

Polarisasi sirkular

Polarisasi elips

Polarisasi linier

21

TeoriTeori CahayaCahaya• Pendekatan Teori Kuantum

– Cahaya merupakan serangkaian energi yang terkuantisasi secara diskrit yang disebutkuanta atau foton

– Energi cahaya bergantung pada frekuensi

– Dapat menjelaskan fenomena dispersi, emisi, dan absorpsi

hvE =E = energi cahaya

h = konst. Planck =6,625 x 10-34 J

ν = frekuensi optik

22

SeratSerat OptikOptik

• Struktur serat optik

core

cladding

coat

Dari gelasAtau plastik

Dari plastik & Diberi warna, Bisa > 1 lapisan

23

SeratSerat OptikOptik

• Bagaimana cahayamerambat dalamserat optik ?

24

SeratSerat OptikOptik ((JenisJenis seratserat optikoptik))

• Single mode Step Index

Kelebihan Kekurangan Dispersi minimum NA Kecil : butuh ILD

BW Lebar Sulit untuk terminasi Sangat efisien Mahal

CladdingCore 8-12µm

n1

125µm

n2

Profil Indeks bias

25


• Step Index Multimode


n1

125-400µm

n2

Profil Indeksbias

Kelebihan Kekurangan Mudah terminasi Dispersi lebar

kopling efisien (NA>>) BW minimum Tidak mahal

26


• Graded Index Multimode


n1

125-140µm

n2

Profil Indeksbias

Serat optik graded index merupakan serat yang kelebihan dan kekurangannya berada di antara seratjenis single mode dan step index

27

KarakteristikKarakteristik SeratSerat OptikOptik• Numerical Aperture (NA)

θ

NA = sin θ =

Numerical Aperture adalah kemampuanserat optik untuk mengumpulkan cahaya

22

21 nn −

28

KarakteristikKarakteristik SeratSerat OptikOptik

• Bandwidth-distance product– Sebuah ukuran kapasitas informasi serat

optik, dinyatakan dalam MHz.Km

Contoh :

BW 400 MHz.km, artinya sinyal 400 MHz dapat dikirim untuk 1 km, atau dapat berartipula BW x L ≤ 400

29

KarakteristikKarakteristik SeratSerat OptikOptik

• Karakteristik Mekanis– Strength– Static fatigue

• TIR (Total Internal Reflection)

Cladding

Core

30

Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to point

• Link point to point merupakan link paling sederhanadan dasar dalam menganalisis bentuk yang lebihkompleks

• Dua hal penting dalam disain link optik dijital point to point adalah:– Jarak transmisi ! dianalisis dengan power link budget– Kapasitas/bandwidth sistem ! dianalisis dengan rise time

budget• Untuk mengimplementasikan link optik dijital yang

memenuhi kriteria jarak transmisi dan bandwidth sistem, diperlukan pemilihan elemen optik yang tepat

31

KriteriaKriteria PemilihanPemilihan PerangkatPerangkat

Avalanched Photo Diode (APD)

ResponsivitasPanjang gelombang operasi

Kecepatan responSensitivitas

pinDetektor optik3

LASER

Panjang gelombang emisiLebar spektral keluaran

Daya keluaranDaerah radiasi efektif

Pola emisiJumlah mode emisi

LED

Sumber optik2

Multi Mode (MM)

Ukuran coreProfil indeks bias core

Bandwidth atau DispersiRedaman

NA atau Mode-field Diameter

Single Mode(SM)

Serat Optik1

KarakteristikJenisKomponenNo

32


• Sinyal akanmengalami dua hal:– Redaman,

penurunan intensitassinyal ! membatasijarak

– Dispersi, pelebaranpulsa ! membatasikapasitas (BW-length product)

33


• Redaman (α)

kmdB log101

0

1

PP

L=α

P0P1

34

Coupling loss with emitting element

Fresnel reflection

Absorbtion lossScattering due to structure disuniformity

Micro bending loss

Radiation loss due to bends

Rayleigh scattering

Pressure from the side (Lateral pressure)

Splicing loss

Fresnel reflection

Coupling loss with receiving element

Dayakirim

Daya tr

Rugi-rugi Optik

35


• Dispersi– Penyebab terjadinya dispersi

• Dispersi intramodal– Dispersi Material

terjadi karena indeks bias bervariasi sebagai fungsipanjang gelombang optik

– Dispersi Pandu Gelombangterjadi akibat dari karakteristik perambatan mode sebagai fungsi perbandingan antara jari-jari inti serat danpanjang gelombang

• Dispersi intermodalTerjadi akibat perbedaan waktu tempuh tiap mode

36

" Sumber cahaya = distribusi daya terbatas dalam domain panjanggelombang

" Panjang gelombang melewati indeks bias yang berbeda dan tidakmerambat dalam kecepatan yang sama (group velocity) dan mempunyaiwaktu tiba yang berbeda-beda (group delay)

" Sebuah pulsa yang ditransmisikan sedemikian dalam medium mengalamipelebaran, dispersi, dan membatasi bandwidth transmisi

Dispersi Kromatis

λλλλ1 λλλλ2 λλλλ3 λλλλ1 λλλλ2 λλλλ3

t

37

Pulse

dela

y (ps)

λ (nm)

zero dispersion wavelength λ0

Chro

mat

ic Di

sper

sion

(ps/n

m-km

)λ (nm)

+0

_

S 0

slope at zero dispersion

λ0zero dispersion wavelength

The slope of this

Gives this

vg vg

Pulse

dela

y (ps)

λ (nm)

zero dispersion wavelength λ0

Chro

mat

ic Di

sper

sion

(ps/n

m-km

)λ (nm)

+0

_

S 0

slope at zero dispersion

λ0zero dispersion wavelength

The slope of this

Gives this

vgvg vgvg

Dispersi Kromatis

38

Dispersi Bumbung Gelombang

39

Profil Indeks Bias Fiber Singlemode

Match clad - G.652

ni

nr

ni

nr

IOR

Diameter

Dispersion-shifted - G.653nr

ni

nr

IOR

Diameter

ni

Dispersi Kromatis Sekitar 1300 nm

Chromatic dispersion shifted pada 1550 nm

≈≈≈≈ 0.8%

6 µµµµm8 µµµµm

≈≈≈≈ 0.3%

40

Disp

ersio

n (p

s/nm

km)

Wavelength (nm)1100110011001100

20202020

0000

−20−20−20−20

10101010

−10−10−10−10

1200120012001200 1300130013001300 1400140014001400 1500150015001500 1600160016001600

material dispersiongiven waveguide

dispersion unshifted

wave

guid

e disp

ersio

n co

ntro

llabl

e

waveguidedispersion shifted

Dispersi Kromatis dan DispersiWaveguide untuk serat single mode

41

Disp

ersio

n (p

s nm

km)

Wavelength λ λ λ λ (nm)1100110011001100

20202020

0000

−20−20−20−20

10101010

−10−10−10−10

1200120012001200 1300130013001300 1400140014001400 1500150015001500 1600160016001600

non-zero dispersion

dispersion unshifted

non-zero dispersion

dispersion shifted

Berbagai tipe serat single mode mempunyai berbagai dispersi

42

DispersiDispersi BerbagaiBerbagai TipeTipe OptikOptik

+2

+4

- 2

- 4

LucentTrueWave

Corning LS

G.653

Disp

ersio

n (p

s/nm

-km

)

LucentTrueWave / Balanced +

LucentTrueWave / Balanced -

1530 1540 1550 1560 1570

Reduced Slope

EDFA C-band

43

Toleransi Komunikasi TerhadapDispersi Kromatis

44

Dispersi Mode Polarisasi

• Penyebab– Ketidaksimetrisan bentuk serat akibat tekanan

saat pengkabelan ataupun saat instalasi

45

DispersiDispersi Mode Mode PolarisasiPolarisasi �� pengaruhnyapengaruhnyapadapada bit rate tinggi (10 Gb/sbit rate tinggi (10 Gb/s��puluhan km)puluhan km)

fast axis

z, tslow axis

∆τ∆τ∆τ∆τ

t∆τ∆τ∆τ∆τ

T0 T

46

Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to point• Link Power Budget (menghitung redaman total)

Tx(sumber

optik)

Kota A Kota BKonektor (αc)

Splice (αsp)

Serat optik (αf)

Rx (detektor

Optik)

Jarak transmisi (L)

MnnLPP spspccftr −⋅−⋅−⋅−= ααα

Pr = daya terima

Pt = daya kirim

M = margin

47

Link Optik Dijitalpoint to point

• Contoh Power link Budget:– Dispesifikasikan data rate 20 Mbps

dan BER 10-9. Dipilih pin fotodiode silikon pada 850 nm, sinyal inputpenerima dibutuhkan –42 dBm. Pilih sebuah LED GaAlAs dengan level daya optik rata-rata 50 µW (–13 dBm) ke serat dengan diameter core 50 µm. Asumsikan terjadiredaman 1 dB ketika flylead seratdihubungkan ke kabel dan 1 dB lagi redaman konektor padaantarmuka kabel ke photodetector. Dengan margin sistem 6 dB jaraktransmisi untuk kabel dengankonstanta redaman αf dB/km dapatdihitung dari :

– Jika αf = 3,5 dB/km, maka jaraktransmisi adalah 6 km.

( ) 612 29 ++==−= LdBdBPPP fRST α

-10

-20

-30

-40

-50

0 1 2 3 4 5 6

Daya terkopel-flylead dari LED

Daya terkopel-kabelLoss konektor

loss dialokasikanuntuk kabel dansplice

Loss konektor

margin 6 dB

Sensitivitas penerima pin

loss kabel (dan splice)3,5 dB/km

jarak transmisi yangmungkin di dapat

D

Jarak (km)

Leve

l day

a (d

Bm)

48

Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to point• Repeater/regenerator

– Digunakan jika panjang link melebihi panjang maksimum dalam link power budget

• Optical Amplifier– Yang perlu diperhatikan dalam pemasangan Optical Amplifier

adalah akumulasi besar Noise (ASE)– Peletakannya: in-line amplifier, pre-amplifier, power amplifier

Optical TX

Electronic

Regenerator

OpticalRx

Optical Amplifier

49

Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to point• Rise Time Budget (menghitung pelebaran pulsa

total)– Kontributor yang dimaksud adalah: rise time transmitter

optik, rise time receiver optik, pelebaran pulsa yang diakibatkan oleh karakteristik dispersi serat optik

ns 2

1

1

2

= ∑

=

N

iisys tt

Tb Tb’ > Tb

50


Rise time fall time

Input

Respon divaisTerhadap input

0 V

+5 V

Off

ON

Divais tidakdapat langsung ON, tapi butuh waktu

51

Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to pointContoh• Asumsikan bahwa LED beserta rangkaian drive-nya mempunyai

rise time 15 ns. Dengan lebar spektral 40 nm dan link sepanjang 6 km diperoleh degradasi rise-time akibat dispersimaterial 21 ns. Diasumsikan bandwidth penerima 25 MHz, maka diperoleh degradasi rise-time sebesar 14 ns. Jika seratmempunyai parameter bandwidth-length-product sebesar 400 MHz.km dengan q = 0,7; maka dispersi modal adalah 3,9 ns. Sehingga akan diperoleh degradasi rise-time total adalah :

• Nilai ini masih di bawah nilai maksimum yang diperbolehkan, yaitu : 70% dari perioda bit NRZ. Dalam soal Bit Rate = 20 Mbps, sehingga perioda bit = 50 ns dan 70%-nya adalah 35 ns.

( )( ) ( ) ( ) ( )[ ]

ns 30 149,32115 2

12222

2122

mod22

=+++=

+++= RXmatTXsys ttttt

Documents

OAN PL1 Dasar Optik.ppt