Setelahsinyal optik bergerakpada jarak tertentu melalui serat optik, mereka mengalami redaman dan distorsi, menyebabkan pulsa sinyal optik masukan dan keluaran berbeda. Hal ini bermanifestasi sebagai redaman amplitudo dan pelebaran bentuk gelombang pulsa optik. Penyebab dari fenomena ini adalah adanya loss dan dispersi di dalam serat optik. Kehilangan dan dispersi adalah parameter terpenting yang menggambarkan karakteristik transmisi serat optik, yang membatasi jarak transmisi dan kapasitas sistem. Bagian ini terutama membahas mekanisme dan karakteristik kehilangan dan dispersi serat optik.
★Karakteristik serat optik (bagian 2)
Kehilangan karakteristik serat optik
Hilangnya serat optik menyebabkan pelemahan sinyal, oleh karena itu kehilangan serat optik disebut juga atenuasi. Dengan bertambahnya jarak serat optik, intensitas sinyal cahaya menurun, sebagai berikut: P(z)=P(0) /10 - (4) dengan P(z) adalah daya optik pada jarak transmisi z; P(0) adalah masukan daya optik ke dalam serat optik, yaitu daya optik yang disuntikkan pada z=0; (λ) adalah koefisien atenuasi serat optik pada panjang gelombang dalam dB/km; dan L adalah jarak transmisi.
Ketika t=L, koefisien atenuasi serat didefinisikan sebagai
(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]
Jika panjang gelombang kerja λ adalah dB, jika koefisien atenuasi diukur dalam satuan dB per kilometer, maka A(λ) (satuannya dB) dinyatakan sebagai:
SEBUAH(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]
Komunikasi serat optik telah berkembang seiring dengan perbaikan berkelanjutan dalam pembuatan serat optik, khususnya pengurangan kehilangan serat. Kehilangan serat merupakan salah satu faktor utama penentu jarak relai dalam sistem komunikasi serat optik. Banyak faktor yang berkontribusi terhadap hilangnya serat, terutama hilangnya penyerapan, hilangnya hamburan, dan kehilangan tambahan, dan mekanisme yang mendasari hilangnya serat ini cukup kompleks. Pembahasan berikut menggunakan serat optik silika sebagai contoh untuk menggambarkan berbagai penyebab kerugian.
Kerugian Penyerapan
Kehilangan penyerapan terutama mencakup penyerapan intrinsik, penyerapan pengotor (radikal OH), dan cacat penyerapan struktural. Penyerapan intrinsik meliputi serapan inframerah dan ultraviolet.
Penyerapan inframerah adalah penyerapan energi cahaya yang disebabkan oleh resonansi molekul ketika cahaya melewati kaca kuarsa yang tersusun dari SiO2. Misalnya, puncak serapan Si-O berada pada 9,1 μm, 12,5 μm, dan 21,3 μm, dan kehilangan serapan serat optik mencapai 10 dB/km pada 9,1 μm. Penyerapan ultraviolet adalah energi yang diserap ketika elektron tereksitasi untuk bertransisi ke tingkat energi yang lebih tinggi oleh gelombang cahaya. Penyerapan ini terjadi pada daerah ultraviolet sehingga biasa disebut serapan ultraviolet. Bahan kaca mengandung ion logam transisi seperti besi dan tembaga, serta ion OH-. Penyerapan pengotor adalah hilangnya energi cahaya yang disebabkan oleh penyerapan energi cahaya oleh langkah elektron yang dihasilkan oleh getaran ion di bawah eksitasi gelombang cahaya. Misalnya, pada 1,39 μm, redamannya adalah 60 dB/km ketika konsentrasi ion OH- adalah 1 × 10⁻⁶.
Kerugian yang berhamburan
Hilangnya hamburan adalah hilangnya energi cahaya yang dipancarkan keluar serat optik dalam bentuk hamburan. Hal ini disebabkan oleh kepadatan yang tidak seragam di dalam serat. Jenis utama hilangnya hamburan dalam serat optik meliputi hamburan Rayleigh, hamburan Mie, hamburan Brillouin terstimulasi, hamburan Raman terstimulasi, cacat struktural tambahan dan hamburan tekukan, serta hamburan kebocoran.
Selama pembuatan serat optik, gerakan termal molekul dalam kaca cair menyebabkan fluktuasi kepadatan dan indeks bias dalam strukturnya, yang pada gilirannya menyebabkan hamburan cahaya. Hamburan yang disebabkan oleh partikel yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya disebut hamburan Rayleigh; Hamburan yang disebabkan oleh partikel dengan panjang gelombang yang sama dengan cahaya disebut hamburan Mie.
Hamburan Rayleigh adalah penyebab utama hilangnya serat. Hamburan Rayleigh menunjukkan sifat sebanding dengan 1/λ panjang gelombang pendek, yaitu R=K/λ. Konstanta proporsionalitas K berhubungan dengan struktur dan komposisi kaca. Secara umum, semakin tinggi suhu transisi kaca dan semakin kompleks komposisinya, semakin besar pula kerugian hamburan Rayleigh.
Hamburan Rayleigh dipengaruhi oleh intensitas cahaya datang. Sebaliknya, hamburan Brillouin terstimulasi dan hamburan Raman terstimulasi terjadi ketika kerapatan energi cahaya melebihi nilai tinggi tertentu dan dihasilkan oleh interaksi antara cahaya dan medium.
Kerugian tambahan
Rugi-rugi tambahan (atau rugi-rugi aplikasi) adalah rugi-rugi yang berasal dari sumber eksternal, seperti yang disebabkan oleh puntiran serat atau tekanan lateral selama konstruksi, pemasangan, dan pengoperasian, yang mengakibatkan pembengkokan makro-dan pembengkokan-mikro pada serat.
Penyebab hilangnya serat dirangkum dalam Gambar:
| Kategori | Sub-Kategori | Detail / Deskripsi |
|---|---|---|
| Kerugian Penyerapan | Penyerapan Intrinsik | • Penyerapan inframerah • Penyerapan sinar ultraviolet |
| Penyerapan Ekstrinsik | Disebabkan oleh pengotor seperti Fe, Cu, logam transisi, dan vibrasi serapan OH⁻ | |
| Kerugian Berhamburan | Hamburan Linier | |
| - Hamburan Rayleigh | Hamburan oleh partikel yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang optik | |
| - Mie berhamburan | Hamburan oleh partikel yang ukurannya sebanding dengan panjang gelombang optik | |
| Hamburan Nonlinier | ||
| - Merangsang hamburan Brillouin | Terjadi ketika kepadatan daya optik melebihi ambang batas yang lebih rendah | |
| - Merangsang hamburan Raman | Terjadi ketika kepadatan daya optik melebihi ambang batas yang lebih tinggi | |
| Kerugian Tambahan | - | Kerugian yang disebabkan oleh pembengkokan mikro, pembengkokan makro, regangan, kompresi, dan deformasi mekanis |
Karakteristik dispersi serat optik
Dalam fisika, dispersi mengacu pada fenomena di mana cahaya dengan warna berbeda tersebar setelah melewati media transparan. Seberkas cahaya putih dipecah menjadi tujuh-pita warna setelah melewati prisma. Hal ini karena kaca memiliki indeks bias berbeda untuk warna berbeda (frekuensi berbeda atau panjang gelombang berbeda). Semakin panjang panjang gelombangnya (atau semakin rendah frekuensinya), semakin rendah indeks bias kacanya; semakin pendek panjang gelombangnya (atau semakin tinggi frekuensinya), semakin tinggi indeks biasnya. Dengan kata lain, indeks bias kaca merupakan fungsi dari frekuensi (atau panjang gelombang) gelombang cahaya. Ketika cahaya putih yang terdiri dari berbagai warna datang pada sudut yang sama θ, menurut hukum pembiasan (n=sinθ/n²), warna cahaya yang berbeda akan memiliki sudut bias yang berbeda karena nilai n² yang berbeda, sehingga memisahkan warna cahaya yang berbeda, sehingga terjadi dispersi. Karena n=c/n (c adalah kecepatan cahaya, c=3 × 10⁻⁶ m/s), jelas bahwa berbagai warna cahaya merambat dengan kecepatan berbeda di dalam kaca.
Dalam teori propagasi serat optik, arti istilah “dispersi” telah diperluas. Dalam serat optik, sinyal dibawa dan ditransmisikan oleh gelombang cahaya dengan berbagai mode atau frekuensi. Ketika sinyal mencapai terminal, mode atau frekuensi gelombang cahaya yang berbeda mengalami perbedaan penundaan transmisi sehingga menyebabkan distorsi sinyal. Fenomena ini secara kolektif disebut dispersi. Untuk sinyal digital, dispersi menyebabkan pelebaran pulsa setelah merambat pada jarak tertentu melalui serat. Dalam kasus yang parah, pulsa yang berurutan akan tumpang tindih, membentuk interferensi antarsimbol. Oleh karena itu, dispersi menentukan bandwidth transmisi serat optik dan membatasi laju transmisi atau jarak repeater sistem. Dispersi dan bandwidth adalah karakteristik serat optik yang sama yang dijelaskan dari sudut pandang berbeda.
Berdasarkan penyebab dispersi, dispersi serat optik dibagi menjadi: dispersi modal, dispersi material, dispersi pandu gelombang, dan dispersi mode polarisasi, yang akan diperkenalkan di bawah ini.
Modus Dispersi
Dispersi modal umumnya terdapat pada serat multimode. Karena beberapa mode hidup berdampingan dalam serat multimode, dan kecepatan propagasi kelompok mode yang berbeda di sepanjang sumbu serat berbeda, mereka pasti akan tiba di terminal pada waktu yang berbeda, mengakibatkan perbedaan waktu tunda dan membentuk dispersi antar moda, sehingga menyebabkan perluasan lebar pulsa. Pelebaran pulsa akibat dispersi modal ditunjukkan pada Gambar 2-10. Untuk serat mode tunggal yang ideal, karena hanya satu mode (mode fundamental - mode LP atau HE) yang ditransmisikan, tidak ada dispersi modal, tetapi ada dispersi mode polarisasi.
Sekarang, kami memperkirakan dispersi modal maksimum dari serat multimode indeks-langkah. Penyebaran modal serat multimode indeks langkah-ditunjukkan pada Gambar 2-11. Dalam serat multimode indeks langkah-, dua sinar yang merambat paling cepat dan paling lambat adalah sinar ① yang merambat sepanjang sumbu dan sinar ② yang datang masing-masing pada sudut kritis 0 derajat . Oleh karena itu, dispersi mode maksimum dalam serat multimode indeks langkah adalah perbedaan waktu antara waktu yang dibutuhkan oleh sinar ② (Tmax) dan waktu yang dibutuhkan oleh sinar ① (Tmin) untuk mencapai terminal, ΔTmux: ΔTmux = Tmaks / Tmenit
Menurut optik geometri, dalam serat optik dengan panjang L, misalkan kecepatan sinar cahaya ① dan ② sepanjang arah aksial masing-masing adalah c/n dan sinθ·c/n. Oleh karena itu, dispersi modal serat optik adalah...
Dalam serat optik berpemandu lemah (serat dimana nidan niberbeda sangat sedikit), A=(ni- n)/n. Jika Δ=1%, ni= 1.5 untuk serat optik silika, dan panjang serat 1 km, maka dispersi antar moda maksimum ΔTmdapat dihitung sebagai 50 ns. Oleh karena itu, jelas bahwa semakin panjang serat, semakin parah dispersi antar moda; dan semakin besar perbedaan indeks bias relatif Δ, semakin parah dispersi antar moda.
Penyebaran materi
Karena indeks bias bahan serat optik bervariasi dengan panjang gelombang cahaya, kecepatan kelompok frekuensi sinyal optik yang berbeda juga berbeda, menyebabkan perbedaan penundaan transmisi, sebuah fenomena yang dikenal sebagai dispersi bahan. Dispersi ini bergantung pada karakteristik panjang gelombang, indeks bias bahan serat optik, dan lebar garis sumber cahaya.
Pada sistem komunikasi serat optik digital, cahaya keluaran dari sumber cahaya sebenarnya tidak mempunyai panjang gelombang tunggal tetapi mempunyai lebar garis spektral tertentu. Karena indeks bias bahan serat merupakan fungsi panjang gelombang, kecepatan rambat cahaya di dalamnya (λ)=c/n(λ) juga bervariasi menurut panjang gelombang. Ketika pulsa cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya dengan lebar garis spektral tertentu mengenai serat-mode tunggal dan merambat, pulsa cahaya dengan panjang gelombang berbeda akan memiliki kecepatan propagasi berbeda, yang mengakibatkan perbedaan waktu tunda saat mencapai ujung keluaran, sehingga menyebabkan pelebaran pulsa. Ini adalah mekanisme penyebaran material.
Jika kecepatan grup diketahui u=da/dB, maka penundaan grup per satuan panjang adalah T=1/v,=n,/c. Oleh karena itu, dispersi material serat optik dengan panjang L adalah...
Dalam rumusnya, c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa; λ adalah indeks bias inti serat; λ adalah panjang gelombang cahaya; dan Aλ adalah lebar garis spektral sumber cahaya, dengan Aλ=λ - λ, mewakili rentang panjang gelombang yang berpusat di A. Umumnya, koefisien dispersi digunakan untuk mengukur besarnya dispersi. Koefisien dispersi D (satuan: ps/(nm·km)) didefinisikan sebagai...
Terlihat bahwa koefisien dispersi adalah dispersi yang disebabkan oleh suatu sumber cahaya dengan satuan lebar garis spektral yang merambat dalam satuan panjang serat optik. Jika koefisien dispersi material serat optik diketahui, dispersi material dapat dengan mudah dihitung sebagai ΔTm=DmAAL.
Contoh 2-1: Misalkan koefisien dispersi material maksimum serat optik pada panjang gelombang 1,31m adalah D=3.5ps/(nm·km). Jika laser semikonduktor dengan panjang gelombang pusat 1,31µm digunakan untuk menghasilkan cahaya transmisi dengan lebar garis spektral λ=4nm, hitung dispersi material yang disebabkan oleh cahaya yang merambat dalam serat optik sepanjang 1 km.
Solusi: Dispersi material serat optik dapat dengan mudah dihitung sebagai:
Tm = DmLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps
Seperti terlihat pada Contoh 2-1, dispersi material relatif kecil, bahkan lebih kecil dari dispersi modal serat multimode indeks langkah. Perlu juga dicatat bahwa koefisien dispersi serat optik (bukan hanya koefisien dispersi material) bisa positif atau negatif. Dalam serat optik, penundaan kelompok (A) meningkat seiring dengan panjang gelombang pembawa; dengan kata lain, gelombang cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek merambat lebih cepat. Dalam hal ini, koefisien dispersinya negatif, disebut dispersi negatif; sebaliknya, gelombang cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang merambat lebih lambat dibandingkan gelombang cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek.
Di sini koefisien dispersinya positif, disebut dispersi positif. Jelasnya, jika dua serat optik dengan tanda koefisien dispersi berlawanan digabungkan, dispersi material akan ditingkatkan.
dispersi pandu gelombang
Dispersi pandu gelombang ΔTw mengacu pada mode terpandu spesifik dalam serat optik. Panjang gelombang yang berbeda memiliki konstanta fase yang berbeda, sehingga menghasilkan kecepatan kelompok yang berbeda dan dengan demikian dispersi. Dispersi pandu gelombang juga terkait dengan berbagai faktor seperti parameter struktural serat optik dan perbedaan indeks bias relatif antara inti dan kelongsong; oleh karena itu, ini juga disebut dispersi struktural.
Dispersi mode polarisasi
Dispersi mode polarisasi adalah jenis dispersi unik untuk serat optik mode{0}}tunggal. Karena serat-mode tunggal sebenarnya mentransmisikan dua mode polarisasi yang saling ortogonal, medan listriknya terpolarisasi sepanjang arah x dan y.
Bandwidth serat optik
Dispersi dan bandwidth serat optik menggambarkan karakteristik yang sama. Faktanya, dispersi menggambarkan sejauh mana gelombang cahaya meluas sepanjang sumbu waktu setelah transmisi; ini adalah deskripsi karakteristik serat dalam domain waktu. Bandwidth, sebaliknya, menggambarkan karakteristik ini dalam domain frekuensi. Dalam domain frekuensi, untuk sinyal modulasi, serat optik dapat dianggap sebagai filter lolos rendah. Ketika komponen frekuensi tinggi dari sinyal modulasi melewatinya, komponen tersebut dilemahkan secara parah. Artinya, jika amplitudo sinyal masukan (sinyal modulasi) tetap konstan, tetapi hanya frekuensinya yang berubah, maka amplitudo sinyal keluaran setelah transmisi melalui serat akan berubah seiring dengan frekuensi sinyal modulasi (sinyal masukan). TTU-T merekomendasikan untuk menentukan bahwa bandwidth serat optik adalah [bandwidth per kilometer].
