Sistem Transmisi Serat Optik

Penggelaran sistem transmisi digital yang menggunakan  sistem twisted pair dan kabel koaksial membangun trend menuju digitisasi jaringan telepon pada tahun 1960-an dan 1970-an. Sistem-sistem digital yang baru ini memberikan keuntungan ekonomis yang signifikan jika dibandingkan dengan sistem-sistem analog yang terdahulu. Sistem transmisi serat optik, yang diperkenalkan pada tahun 1970-an, menawarkan keuntungan yang lebih besar atas sistem transmisi digital berbasis tembaga dan menghasilkan suatu akselerasi yang dramatis atas laju menuju digitisasi jaringan. 

Sistem transmisi T-1 tipikal atau koaksial membutuhkan repeater pada setiap jarak 2km. Di lain pihak, sistem-sistem serat optik mempunyai jarak repeater maksimum pada orde puluhan hingga ratusan kilometer. Oleh karena itu, penerapan sistem serat optik telah menghasilkan penurunan (penghematan) biaya besar-besaran dalam transmisi digital. Sistem-sistem serat optik juga telah memungkinkan penurunan dramatis dalam ruang yang dibutuhkan untuk mengakomodasi kabel-kabel tersebut. Suatu strand serat optik tunggal jauh lebih tipis ketimbang twisted pair atau kabel koaksial. Oleh karena serat optik tunggal dapat mengangkut laju transmisi yang jauh lebih besar ketimbang sistem tembaga, suatu kabel tunggal serat optik dapat menggantikan banyak kabel kawat tembaga. Disamping itu, serat optik tidak memancarkan energi yang signifikan dan tidak menangkap interferensi dari sumber-sumber eksternal. Jadi, dibandingkan dengan transmisi listrik, serat-serat optik lebih aman dari penyadapan dan juga kebal terhadap interferensi dan crosstalk.

Serat optik terdiri atas silinder kaca yang amat halus (core) yang dikelilingi dengan suatu lapisan konsentris kaca (cladding) . Informasi itu sendiri ditransmisikan lewat core dalam bentuk berkas cahaya yang berfluktuasi. Inti atau core mempunyai densitas optis (indeks refraksi) yang sedikit lebih tinggi ketimbang cladding. Rasio indeks refraksi kedua kaca itu menentukan sudut kritis θ_c . Bila suatu berkas cahaya dari core mendekati cladding pada sudut yang lebih kecil daripada θ_c, maka berkas itu akan dipantulkan seluruhnya ke core. Dengan cara ini berkas cahaya dipandu dalam serat.  

Atenuasi dalam serat dapat dipertahankan pada tingkat yang rendah dengan mengontrol impurity (pengotor) yang terdapat dalam kaca. Ketika ditemukan pada tahun 1970, serat optik mempunyai kehilangan (loss) sebesar 20 dB per kilometer. Dalam tempo 10 tahun sistem-sistem dengan kehilangan 0,2 dB/km sudah ditemukan. Atenuasi minimum serat optik bervariasi sesuai dengan panjang gelombang sinyal. Sistem-sistem yang beroperasi pada panjang gelombang 850 nanometer (nm), 1300 nm, dan 1550 nm menempati daerah-daerah dengan atenuasi yang rendah. Puncak atenuasi terjadi akibat residu uap air yang ada dalam serat kaca. Sistem transmisi serat optik yang dulu beroperasi pada daerah 850 nm pada bit rate raturan megabit per detik dan menggunakan dioda emisi cahaya (LED) yang relatif murah sebagai sumber cahaya. Sistem-sistem dari generasi kedua dan ketiga menggunakan sumber laser dan beroperasi dalam daerah 1300 nm dan 1500 nm yang mencapai laju bit (bit rate) Gigabit/dtk.

Suatu serat multimode mempunyai input berkas cahaya yang mencapai receiver melalui jalur-jalur ganda, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 3.46a. disini, berkas cahaya yang pertama tiba di suatu jalur langsung, dan berkas kedua tiba melalui suatu jalur pantul. Selisih delay antara kedua jalur ini menyebabkan berkas-berkas cahay tersebut saling berinterferensi. Jumlah interferensi bergantung pada durasi suatu pulsa relatif terhadap delay jalur. Kehadiran jalur-jalur membatasi laju bit maksimum yang dpaat dicapai dengan menggunakan serat multimode. Dengan membuat core (inti) serat yang jau lebih sempit, terbuka kemungkinan untuk membatasi perambatan (propagasi) ke jalur langsung tunggal. Serat-serat mode tunggal ini dapat mencapai kecepatan hingga orde gigabit/detik atas ratusan kilometer.

Pada sistem transmisi serat optik, Transmitter terdiri atas suatu sumber cahaya yang dapat dimodulasi berdasarkan suatu sinyal input listrik untuk menghasilkan suatu berkas cahaya yang disisipkan kedalam serat. Biasanya sekuens informasi biner dipetakan pada suatu sekuens pulsa on/off pada panjang gelombang tertentu. Suatu detektor optis pada ujung receiver sistem itu mengkonversikan sinyal optis yang diterima kedalam suatu sinyal listrik yang daripadanya informasi asli dapat dideteksi

Daerah di sekitar 1300 nm mengandung suatu pita dengan atenuasi kurang daripada 0,5 dB/km. daerah ini mempunyai lebar pita 25 terahertz. Satu terahertz sama dengan 10¹² Hertz, yakni satu milyar Hertz. Daerah sekitar 1550 nm memiliki pita yang lain dengan atenuasi hanya 0,2 dB/km [Mukherjee 1997). Daerah ini mempunyai lebar pita kira-kira 25 THz. Jelaslah, sistem transmisi optis yang ada masih jauh dari penggunaan lebar pita ini.

Wavelength-division multiplexing (WDM) adalah sebuah pendekatan yang berusaha mengeksploitasi lebih banyak bandwith yang tersedia. Dalam WDM panjang gelombang digunakan untuk membawa secara simultan beberapa arus informasi pada serat yang sama. WDM adalah suatu bentuk multiplexing . Sistem-sistem WDM pertama menangani 16 panjang gelombang yang masing-masing mentransmisikan 2,5 Gbps untuk keseluruhan 40 Gbps. Sistem-sistem ini dapat merentang jarak lebih daripada 300 km. sistem-sistem WDM yang padat dapat menyediakan 160 panjang gelombang, yang masing-masing beroperasi pada 10 Gbps untuk keseluruhan 1600 Gbps.

Oleh karena pulsa cahaya merambat lewat serat, pulsa menjadi tersebar keluar. Dispersi ini membatasi waktu minimum antara deretan pulsa dan, karena itu, mempengaruhi laju bit (bit rate). Di sini terbentuk suatu pulsa khusus, yang dinamakan soliton, yang mempertahankan bentuknya ketika merambat lewat serat. Eksperimen telah mendemonstrasikan bahwa soliton dapat mencapai kecepatan 80 Gbps hingga jarak 10.000 km. Uji lapangan terdahulu memperlihatkan transmisi soliton pada laju 10 Gbps pada jarak 200 km. Sistem-sistem yang berbasis soliton menjanjikan sistem transmisi digital tanpa repeater dan dengan kecepatan yang amat tinggi.