Naka Prihastya Putra
Teknik Telekomunikasi, Fakultas Teknik Elektro Universitas Telkom
Abstrak – Seperti yang kita ketahui bahwa kebutuhan akan teknologi saat ini meningkat pesat. Salah satu contohnya yaitu kebutuhan untuk mendapatkan kecepatan dan kapasitas koneksi internet. Permintaan atas kebutuhan ini bisa diatasi dengan menggunakan teknologi transmisi optik yang mempunyai kecepatan dan kapasitas lebih besar apabila dibandingkan dengan transmisi kabel tembaga. Transmisi optik mentransmisikan data menggunakan cahaya sehingga mampu mencapai jarak yang jauh dan transfer data informasi yang lebih cepat. Biaya yang lebih murah dan material yang mudah dicari menjadi kelebihan media transmisi menggunakan fiber optic. Namun pada komunikasi optik juga ada kelemahan yaitu adanya rugi-rugi daya transmisi apabila pentransmisian data informasi dilakukan pada jarak yang cukup jauh. Pada jarak tertentu, cahaya yang di transmisikan melalui kabel optik tak akan mampu terus tampak hingga sampai pada tujuan apabila tidak dibantu dengan penguat optik (optical amplifier). Optical Amplifier berfungsi sebagai penguat gelombang cahaya pada media transmisi optik agar informasi dapat sampai pada tujuan tanpa adanya paket dan daya yang hilang. Ada 3 contoh penguat optic yang umumdigunakan yaitu EDFA (Erbium Dopped Fiber Amplifier), SOA (Semiconductor Amplifier) dan ROA (Raman Amplifier).
- Pendahuluan
Untuk mengatasi rugi-rugi pada transmisi optik, dibutuhkan perangkat tambahan yang berfungsi sebagai regenerasi sinyal cahaya optik yang telah hilang selama pentransmisian. Pada transmisi jarak jauh, atenuasi atau redaman optik pasti akan terjadi sehingga dibutuhkan perangkat tambahan. Ada dua jenis perangkat tambahan yang mampu mengatasi ini yaitu repeater serta amplifier.
Regenerasi daya menggunakan repeater dan amplifier sangatlah efisien karena lebih hemat daya dan menghasilkan daya transmisi sinyal cahaya yang besar.
Pada perangkat repeater, memiliki kelemahan yaitu mahalnya perangkat serta turunnya kualitas sinyal karena pada repeater cahaya dikonversikan ke listrik terlebih dahulu lalu dikuatkan oleh perangkat dan di konversikan kembali ke cahaya.
Pada perangkat amplifier, penguatan tidak harus dikonversikan ke sinyal listrik terlebih dahulu sehingga tidak terjadi penurunan kualitas dan lebih efektif jika dibandungkan dengan repeater.
Ada 3 amplifier yang akan dibahas berdasarkan karakteristiknya yaitu EDFA (Erbium Dopped Fiber Ampliferi) , ), SOA (Semiconductor Amplifier) dan ROA (Raman Amplifier).
- Optical Amplifier
Dalam optical amplifier tidak menggunakan konversi signal dari optik ke listrik atau sebaliknya, oleh sebab itu degradasi signal akibat konversi dan penguatan secara elektronik dalam repeater tidak mungkin ada.
Secara umum terdapat 3 tipe optical amplifier yaitu::
- EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
- FRA (Fiber Raman Amplifier)/ROA
- SLA (Semiconductor Laser Amplifier)/SOA
Optical Amplifier adalah devais yang dapat bekerja bi- directional dan cukup linear untuk operasi multi wavelength seperti pada sistem Wave Length Division Multiplexing (WDM). Blok diagram suatu Basic Operation dari Generic Optical Amplifier.
Adapun bagian terpenting dari optical amplifier adalah Active Medium. Active medium ini adalah potongan fiber yang telah diberi sedikit doping dengan unsur-unsur tanah jarang (Rare Earth Elements) seperti Erbium (Er) dan Ytterbium (Yb) yang bekerja pada window 1550 nm, sedangkan untuk window 1300 nm digunakan unsur Neodymium (Nd) dan Prasedymium (Pd).
- EDFA (Erbium Dopped Amplifier)
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) adalah amplifier optik yang dapat meningkatkan performansi serta mengurangi biaya dalam sistem komunikasi optik. Beberapa keuntungan dari EDFA adalah sebagai berikut:
- High gain (~ 50 dB)
- High output power (> 100 mW)
- Low noise figure (~ 4 dB)
- Less gain variation
- Wide band operation baik untuk WDM
- f. Low insertion loss
- g. Cross talk immunity di dalam sistem multichannel h. Low power untuk pumping source.
EDFA adalah Optical Amplifier yang bekerja pada panjang gelombang 1550 nm dan memiliki active medium berupa fiber silica sepanjang 10 meter – 30 meter yang diberi sedikit doping unsur Erbium (Er). Optical Amplifier ini menggunakan cahaya (photon) dengan panjang gelombang yang lebih pendek.
Untuk memahami cara kerja dari EDFA ini lihat diagram level enersi dan berbagai proses transisi dari ion Er3+ dalam Silica yang disederhanakan yang ditunjukkan oleh gambar pada halaman berikut ini. Sebagaimana konsep level enersi dari suatu atom selalu terdiri dari Ground state Band, Excited state Band dan Band Gap, maka pada ion Er3+ ini terdapat suatu band tambahan yang disebut Metastable Band.
Metastable Band berada di atas Ground-State Band kurang lebih 0,814 eV s/d 0,841 eV dihitung dari level bawah dari Ground State Level, ini bersesuaian dengan panjang gelombang photon 1477 nm s/d 1527 nm, sedangkan Pump Band berada 1,27 eV di atas level bawah Ground State Band yang bersesuaian dengan panjang gelombang 980 nm, Pump Band ini sangat sempit. Band Gap antara level bawah Metastable Band dengan level atas dari Ground-State Band adalah kurang lebih 0,775 eV, hal ini bersesuaian dengan panjang gelambang 1600 nm.
Suatu laser pump dengan panjang gelombang 980 nm digunakan untuk mengeksitasi ion-ion Er dari ground state level bawah ke pump level, hal ini tampak pada proses (1). Ion-ion yang terseksitasi ini akan segera decay (kurang lebih 1 μs) dari pump level ke metastable band ditunjukkan oleh proses (2). Selama transisi ini enersi dilepas dalam bentuk panas atau vibrasi, ion-ion terseksitasi yang berada di metastable band cendrung berkumpul di level bawah dari metastable band.
Kemungkinan panjang gelombang laser pump yang lain adalah 1480 nm, energi photon ini agak mirip dengan photon signal hanya sedikit lelih tinggi. Energi photon 1480 nm yang diserap akan mengeksitasi elektron dari ground state dan langsung ke metastable band bagian level atas seperti tampak pada proses (3), elektron-elektron ini cendrung turun ke level lebih bawah dari metastable band tampak pada proses (4) dan kemudian kembali ke ground state tanpa adanya rangsangan photon signal dari luar seperti ditunjukkan oleh proses (5). Transisi ini disebut Spontaneous Emission dan merupakan noise dalam optical amplifier. Pada proses (6) menunjukkan adanya photon signal yang diserap oleh ion-ion sehingga naik ke level metastable band. Kemudian photon signal ini akan mentrigger ion-ion teresksitasi yang berada di metastable band untuk kembali ke ground state secara bersama-sama dengan menghasilkan emisi photon- photon baru yang sama dengan photon signal.
Beda level antara metastable level dengan ground state level akan menghasilkan emisi simultan yang besar pada panjang gelombang antara 1530-1560 nm. Disini akan tampak terjadi penguatan signal sacara optik.
- Arsitektur EDFA
WSC (Wavelength Selector Coupler) memiliki fungsi yaitu memasukkan kombinasi daya pump dan signal ke dalam fiber untuk pasangan panjang gelombang 980/1550 nm atau 1480/1550 nm. Tap coupler ini sangat sensitif terhadap panjang gelombang dan tipikal split rasio 99 : 1 atau 95 : 5 di kedua pihak dari optical amplifier untuk membandingkan signal input dan signal output yang telah diperkuat. OI (Optical Isolator) berfungsi untuk mencegah pemantulan signal yang telah diperkuat kembali ke dalam devais, hal mana akan menurunkan effisiensi dan menambah noise.
Cahaya pump biasanya diinjeksikan ke fiber dengan cara codirectional pumping atau dalam arah yang sama dengan arah signal dan ditunjukkan oleh gambar 3a. Bila arah cahaya pumping berlawanan dengan arah signal seperti dalam gambar, maka disebut counterdirectional pumping. Bila kombinasi keduanya diatas diaplikasikan bersama-sama, maka ini disebut dual pumping, ditunjukkan pada gambar. Dual pumping memiliki gain resultan yang lebih besar diantara ketiganya. Codirectional pumping memiliki noise performance yang baik namun memiliki gain yang paling kecil. Disamping itu pumping dengan 980 nm lebih baik dibandingkan dengan pumping 1480 nm karena noise yang lebih kecil dan dapat mencapai populasi inversi yang lebih besar.
- Raman Amplifier (ROA)
Pemanfaatan Raman Fiber Amplifier (RFA) dapat diperoleh nilai perbesaran bandwidth yang nyata, dan dikenal sebagai teknologi yang memungkinkan untuk sistem DWDM long-haul dan berkapasitas tinggi. RFA dapat digunakan untuk meningkatkan tidak hanya untuk C-band, tetapi juga S, L atau band yang lain, tergantung pada penggunaan panjang gelombang yang dipompakan.
Dari beberapa temuan yang dilakukan disimpulkan bahwa untuk penguat optik L-Band lebih efisien menggunakan RFA dari pada L-band EDFA (Seongtaek Hwang. 2001: np). Rancangan penguat Raman (RFA) lebih sederhana dibandingkan dengan penguat yang menggunakan serat optik dengan dopan (EDFA), namun pemilihan daya pompa dan panjang gelombang, jumlah dan letak pompa sangat berpengaruh pada kinerja penguat dan noise.
Konfigurasi pemompaan RFA paling banyak menggunakan pompa backward (berbalik arah), karena menawarkan banyak keunggulan (noise kecil), dimana pompa cahaya dipasangkan dengan serat transmisi yang arahnya berlawanan dengan arah sinyal. Daya pompa pada RFA lebih tinggi dibandingkan dengan yang dibutuhkan pada EDFA sebesar 500 mW. Kelebihan daya ini dibutuhkan untuk mencapai tingkat gain yang bermanfaat pada penguatan terdistribusi. Gambar 4. memperlihatkan konfigurasi RFA dengan pompa berbalik arah (backward).
Dapat dipastikan bahwa gain Raman tidak terkunci pada suatu level energi sebagaimana ion Erbium. Proses penguatannya dapat terjadi pada seluruh panjang gelombang didaerah infra-merah sekalipun, selama cahaya pemompa yang dibutuhkan tersedia. Hal ini menjadikan penguatan Raman dapat terjadi pada seluruh transmisi serat optik. Bahkan serat transmisipun dapat dijadikan medium untuk menguatkan sinyal (yaitu dengan menginjeksikan cahaya pemompa kedalam serat). Dengan demikian dapat ditunjukkan bahwa performansi sistem komunikasi pada RFA dapat ditingkatkan atau disebut sebagai Amplifier Raman Terdistribusi (DRA).
- Kelebihan dan Kekurangan EDFA dan RAMAN
- Keimpulan
Dapat disimpulkan dari penjelasan diatas yaitu:
- EDFA memiliki Gain yang lebih besar dibandingkan dengan RAMAN.
- EDFA memiliki bandwidth yang tetap antara 30-60 sedangkan RAMAN tergantung dengan pump.
- Pada RAMAN membutuhkan power pum yang lebih tinggi
- EDFA mempunyai kelemahan yaitu sulitnya mendapatkan atom erbium karena termasuk senyawa langka.
- Daya optic keluaran dari optical amplifier sangat tergantung pada daya laser pump, panjang gelombang cahyaa signal dan panjang gelombang cahaya laser pump, dimana penambahan daya pada daya input tidak mungkin melebihi daya laser pump.
Referensi
- A Selvarajan, SKar, T Srinivas.2002. Optical Fiber Comunication MC Graw Hill International Edition.
- Gerd Keiser. 2000. Optical Fiber Comunications. Mc Graw Hill International Edition.
- W Senior.1992.Optical Fiber Commnications. New Jersey:prentice Hall