Sejarah, Perkembangan, dan Struktur Fiber Optik

3.1.            SEJARAH FIBER OPTIK

Penggunaan cahaya sebagai pembawa informasi sebenarnya sudah banyak digunakan sejak zaman dahulu, namun baru sekitar tahun 1930-an para ilmuwan Jerman mengawali eksperimen untuk mentransmisikan cahaya melalui bahan yang bernama fiber optik. Percobaan ini juga masih tergolong cukup primitif karena hasil yang dicapai tidak bisa langsung dimanfaatkan, namun harus melalui perkembangan dan penyempurnaan lebih lanjut lagi. Perkembangan selanjutnya adalah ketika para ilmuwan Inggris pada tahun 1958 mengusulkan prototype fiber optik yang sampai sekarang dipakai, yaitu yang terdiri atas gelas inti yang dibungkus oleh gelas lainnya. Sekitar awal tahun 1960-an, perubahan fantastis terjadi di Asia, yaitu ketika para ilmuwan Jepang berhasil membuat jenis fiber optik yang mampu mentransmisikan gambar.

Di lain pihak, para ilmuwan selain mencoba untuk memandu cahaya melewati gelas (fiber optik) juga mencoba untuk “menjinakkan” cahaya. Kerja keras itu pun berhasil ketika sekitar 1959 laser ditemukan. Laser beroperasi pada daerah frekuensi tampak sekitar 15 Hertz – 1014 Hertz atau ratusan ribu kali frekuensi gelombang mikro.

Pada awalnya, peralatan penghasil sinar laser masih serba besar dan merepotkan. Selain tidak efisien, ia baru dapat berfungsi pada suhu sangat rendah. Laser juga belum terpancar lurus. Pada kondisi cahaya sangat cerah pun, pancarannya gampang meliuk-liuk mengikuti kepadatan atmosfer. Waktu itu, sebuah pancaran laser dalam jarak 1 km, bisa tiba di tujuan akhir pada banyak titik dengan simpangan jarak hingga hitungan meter.

Sekitar tahun 1960-an ditemukan fiber optik yang kemurniannya sangat tinggi, kurang dari satu bagian dalam sejuta. Dalam bahasa sehari-hari artinya serat yang sangat bening dan tidak menghantar listrik ini sedemikian murninya, sehingga konon, seandainya air laut itu semurni serat optik, dengan pencahayaan yang cukup kita dapat menonton lalu-lalangnya penghuni dasar Samudera Pasifik.

Seperti halnya laser, fiber optik pun harus melalui tahap-tahap pengembangan awal. Sebagaimana medium transmisi cahaya, ia sangat tidak efisien. Hingga tahun 1968 atau berselang dua tahun setelah fiber optik pertama kali diramalkan akan menjadi pemandu cahaya, tingkat atenuasi (kehilangan)-nya masih 20 dB/km. Melalui pengembangan dalam teknologi material, fiber optik mengalami pemurnian, dehidran (pengeringan), dan lain-lain. Secara perlahan tapi pasti atenuasinya mencapai tingkat dibawah 1 dB/km.

Tahun 1980-an, bendera lomba industri fiber optik benar-benar sudah berkibar. Nama-nama besar di dunia pengembangan fiber optik bermunculan. Charles K. Kao diakui dunia sebagai salah seorang perintis utama. Dari Jepang, muncul Yasuharu Suematsu. Raksasa-raksasa elektronik macam ITT dan STL jelas punya banyak sekali peranan dalam mendalami riset-riset fiber optik.

3.2.            PERKEMBANGAN FIBER OPTIK

Berdasarkan penggunaannya, maka sistem komunikasi serat optik (SKSO) dibagi menjadi 6 tahap generasi, yaitu seperti diuraikan di bawah ini.

 Generasi Pertama (mulai 1975)

Sistem masih sederhana dan menjadi dasar bagi sistem generasi berikutnya, terdiri dari alat encoding yang mengubah input (misal suara) menjadi sinyal listrik, transmitter yang mengubah sinyal listrik menjadi sinyal gelombang berupa LED dengan panjang gelombang 0,87 mm, serat silika sebagai penghantar sinyal gelombang, repeater sebagai penguat gelombang yang melemah di perjalanan, receiver yang mengubah sinyal gelombang menjadi sinyal listrik berupa fotodetector, dan alat decoding yang mengubah sinyal listrik menjadi output (misal suara).

Repeater bekerja melalui beberapa tahap, mula-mula ia mengubah sinyal gelombang yang sudah melemah menjadi sinyal listrik, kemudian diperkuat dan diubah kembali menjadi sinyal gelombang. Generasi pertama ini pada tahun 1978 mencapai kapasitas transmisi sebesar 10 Gb.km/s.

Generasi Kedua (mulai 1981)

Untuk mengurangi efek dispersi, ukuran teras serat diperkecil agar menjadi tipe mode tunggal. Indeks bias kulit dibuat sedekat-dekatnya dengan indeks bias teras. Dengan sendirinya, transmitter juga diganti dengan diode laser dan panjang gelombang yang dipancarkannya 1,3 mm. dengan modifikasi ini, generasi kedua mampu mencapai kapasitas transmisi 100 Gb.km/s, 10 kali lipat lebih besar daripada generasi pertama.

Generasi Ketiga (mulai 1982)

Terjadi penyempurnaan pembuatan serat silika dan pembuatan chip diode laser berpanjang gelombang 1,55 mm. kemurnian bahan silika ditingkatkan sehingga transparansinya dapat dibuat untuk panjang gelombang sekitar 1,2 mm sampai 1,6 mm. Penyempurnaan ini meningkatkan kapasitas transmisi menjadi beberapa ratus Gb.km/s.

 Generasi Keempat (mulai 1984)

Dimulainya riset dan pengembangan sistem koheren, modulasinya yang dipakai bukan modulasi intensitas, melainkan modulasi frekuensi, sehingga sinyal yang sudah lemah intensitasnya masih dapat dideteksi dan jarak yang ditempuh, juga kapasitas transmisinya ikut membesar. Pada tahun 1984, kapasitasnya sudah dapat menyamai kapasitas sistem deteksi langsung. Sayang, generasi ini terhambat perkembangannya karena teknologi peranti sumber dan deteksi modulasi frekuensi masih jauh tertinggal. Tetapi, tidak dapat disangkal bahwa sistem koheren ini punya potensi untuk maju pesat pada masa-masa yang akan datang.

 Generasi Kelima (mulai 1989)

Pada generasi ini, dikembangkan suatu penguat optik yang menggantikan fungsi repeater pada generasi-generasi sebelumnya. Sebuah penguat optik terdiri dari sebuah diode laser InGaAsP (panjang gelombang 1,48 mm) dan sejumlah fiber optik dengan doping erbium (Er) di terasnya. Pada saat serat ini disinari diode lasernya, atom-atom erbium di dalamnya akan tereksitasi dan membuat inversi populasi, sehingga bila ada sinyal lemah masuk penguat dan lewat di dalam serat, atom-atom itu akan serentak mengadakan deeksitasi yang disebut emisi terangsang (stimulated emission) Einstein. Akibatnya, sinyal yang sudah melemah akan diperkuat kembali oleh emisi ini dan diteruskan keluar penguat. Keunggulan penguat optik ini terhadap repeater adalah tidak terjadinya gangguan terhadap perjalanan sinyal gelombang, sinyal gelombang tidak perlu diubah jadi listrik dulu dan seterusnya, seperti yang terjadi pada repeater. Dengan adanya penguat optik ini, kapasitas transmisi melonjak hebat sekali. Pada awal pengembanganya hanya dicapai 400 Gb.km/s, tetapi setahun kemudian, kapasitas transmisi sudah menembus harga 50 ribu Gb.km/s.

Generasi Keenam (mulai 1988)

Pada tahun 1988, Linn F. Mollenauer memelopori sistem komunikasi soliton. Soliton adalah pulsa gelombang yang terdiri dari banyak komponen panjang gelombang. Komponen-komponennya memiliki panjang gelombang yang berbeda hanya sedikit dan juga bervariasi dalam intensitasnya. Panjang soliton hanya 10-12 detik dan dapat dibagi menjadi beberapa komponen yang saling berdekatan, sehingga sinyal-sinyal yang berupa soliton merupakan informasi yang terdiri dari beberapa saluran sekaligus (wavelength division multiplexing). Eksperimen menunjukkan bahwa soliton minimal dapat membawa lima saluran yang masing-masing membawa informasi dengan laju 5 Gb.km/s. Cacah saluran dapat dibuat menjadi dua kali lipat lebih banyak jika dibuatkan multiplexing polarisasi karena setiap saluran memiliki dua polarisasi yang berbeda. Kapasitas transmisi yang telah diuji mencapai 35 ribu Gb.km/s.

Cara kerja sistem soliton ini adalah efek Kerr, yaitu sinar-sinar yang panjang gelombangnya sama akan merambat dengan laju yang berbeda di dalam suatu bahan jika intensitasnya melebihi suatu harga batas. Efek ini kemudian digunakan untuk menetralisir efek dispersi, sehingga soliton tidak akan melebar pada waktu sampai di receiver. Hal ini sangat menguntungkan karena tingkat kesalahan yang ditimbulkannya amat kecil bahkan dapat diabaikan. Tampak bahwa penggabungan ciri beberapa generasi teknologi fiber optik akan mampu menghasilkan suatu sistem komunikasi yang mendekati ideal, yaitu yang memiliki kapasitas transmisi yang sebesar-besarnya dengan tingkat kesalahan yang sekecil-kecilnya. Yang jelas, pada masa mendatang dunia komunikasi, tidak dapat dihindari lagi, akan dirajai oleh teknologi fiber optik.

3.3.            TEORI DASAR FIBER OPTIK

Fiber optik merupakan suatu light waveguide (pemandu gelombang cahaya) yang berisi bahan dielektrik dengan indeks bias tertentu yang dapat digunakan untuk merambatkan energi cahaya.

Suatu sistem komunikasi fiber optik memiliki perangkat penting, yaitu transmitter, kabel fiber optik, dan receiver.

a.       Transmitter mengirim informasi dalam bentuk pulsa elektrik dari kabel tembaga, kemudian diterjemahkan menjadi pulsa cahaya yang bersesuaian. Untuk membangkitkan pulsa cahaya tersebut, dapat digunakan LED atau LD. LED umumnya digunakan untuk fiber optik multimode dan LD biasanya digunakan untuk fiber optik singlemode.

b.      Kabel fiber optik berfungsi untuk merambatkan sinyal optik dari transmitter ke receiver.

c.       Receiver menerima sinyal optik, kemudian mengkonfirmasikannya kembali menjadi sinyal elektrik aslinya. Jenis detector cahaya yang dapat digunakan adalah photodetector.

Karena media transmisi fiber optik selalu memiliki redaman meskipun kecil, maka pada saat tertentu dimana gelombang-gelombang informasi yang ditransmisikan sudah melemah mendekati ambang batasnya, diperlukan sebuah perangkat penguat ulang untuk menghasilkan besaran penguatan yang sama seperti keluaran terminal, perangkat ini disebut repeater. Di dalam sebuah repeater, terdapat amplifier sebagai penguatnya. Pada saat ini ada dua jenis repeater yang digunakan, yaitu sebagai berikut.

a.       Digital Repeater, yaitu penguat ulang di tingkat elektrik. Cara penguatannya adalah dengan mengubah gelombang cahaya menjadi elektrik kemudian dikuatkan dan pada tahap akhir diubah kembali dari gelombang elektrik menjadi gelombang cahaya dan kemudian siap ditransmisikan kembali ke fiber optik.

b.      Optical Repeater, yaitu penguatan ulang di tingkat elektrik. Cara penguatannya adalah dengan mencampur gelombang cahaya yang lemah tadi dengan gelombang cahaya yang baru yang lebih kuat dari pompa cahaya. Setelah gelombang cahaya cukup kuat seperti keluaran terminal, maka gelombang cahaya siap diumpankan kembali ke fiber optik.

Repeater hanya menguatkan sinyal cahaya yang datang, sehingga noise yang datang juga ikut terkuatkan. Oleh karena itu, untuk jarak yang cukup jauh, seperti SKKL (Sistem Komunikasi Kabel Laut), diperlukan optical regenerator untuk mengatasi pelemahan sinyal.

3.4.            STRUKTUR DASAR FIBER OPTIK

Fiber optik adalah suatu filamen (serabut) yang terbuat dari kaca, berdiameter sebesar rambut manusia, yang merupakan pemandu gelombang cahaya (light waveguide) yang terdiri dari core dan cladding yang mampu menyalurkan informasi dalam bentuk cahaya, dimana diameter inti (core) harus lebih besar dibandingkan diameter cladding (lapisan inti). Hal ini dimaksudkan agar jika cahaya terpantul ke cladding, dapat kembali ke core (tidak merambat ke cladding).

Secara umum, bagian-bagian fiber optik adalah sebagai berikut ini.

a.      Core (inti)

Gelombang cahaya yang dikirim akan merambat dan mempunyai indeks bias lebih besar dari lapisan kedua, dan terbuat dari kaca. Inti (core) mempunyai diameter yang bervariasi antara 5 µm – 50 µm tergantung jenis fiber optiknya.

Core berfungsi untuk menentukan cahaya merambat dari suatu ujung serat optik ke ujung lainnya.

b.      Cladding (lapisan inti)

Bagian ini mengelilingi bagian inti dan mempunyai indeks bias lebih kecil dibanding dengan bagian inti, dan terbuat dari kaca. Cladding mempunyai diameter yang bervariasi antara 125µm (untuk singlemode dan multimode step index) dan 250 µm (untuk multimode grade index).

Fungsi cladding adalah sebagai berikut.

1)      Mengurangi cahaya yang loss dari inti ke udara sekitar.

2)      Mengurangi loss hamburan pada permukaan inti.

3)      Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan.

4)      Menambah kekuatan mekanis.

c.       Coating (jaket)

Bagian ini merupakan pelindung lapisan inti dan selimut yang terbuat dari bahan plastik elastik (PVC). Terdapat 3 jenis coating, yaitu: primer, sekunder, dan pembungkus pelindung (PVC sheath).

Coating berfungsi sebagai pelindung mekanis dan tempat kode warna.