oan pl1 dasar optik.ppt
DESCRIPTION
Dasar-dasar jaringan akses fiber optikTRANSCRIPT
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
SeratSerat OptikOptik ((JenisJenis seratserat optikoptik))
• Step Index Multimode
CladdingCore 50-200µm
n1
125-400µm
n2
Profil Indeksbias
Kelebihan Kekurangan Mudah terminasi Dispersi lebar
kopling efisien (NA>>) BW minimum Tidak mahal
26
SeratSerat OptikOptik ((JenisJenis seratserat optikoptik))
• Graded Index Multimode
CladdingCore 50-100µm
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
Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to point
• Sinyal akanmengalami dua hal:– Redaman,
penurunan intensitassinyal ! membatasijarak
– Dispersi, pelebaranpulsa ! membatasikapasitas (BW-length product)
33
Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to point
• 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
Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to point
• 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
Link Link OptikOptik DijitalDijital point to pointpoint to point
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