RSS

modulasi cahaya

02.43 |

A.    Modulasi Cahaya
Pada teori modern, diketahui bahwa cahaya merupakan gelombang yang dapat memiliki sifat-sifat seperti pembiasan, pemantulan, interferensi, difraksi, dan polarisasi. Perambatan cahaya dapat dianalisis secara mendetail menggunakan teori gelombang elektromagnetik. Teori ini untuk menjelaskan cahaya dalam frekuensi, panjang gelombang, dan fasa. Teori lain yang berkembang berhubungan dengan cahaya adalah teori kuantum cahaya atau disebut juga teori Foton. Teori ini memandang cahaya sebagai perambatan paket energi yang disebut foton. Energi yang dikandung dalam tiap foton dihubungkan dengan frekuensi dari cahaya adalah:
Ep=h.f

dimana :  Ep adalah energi foton (Joule)
h adalah konstanta Planck (6,626.10-34 Joule-s)
f adalah frekuensi (Hertz)
Teori foton ini digunakan dalam analisis dan menjelaskan tentang pembangkitan dan deteksi cahaya. Hal ini sangat membantu dalam menggambarkan transformasi cahaya ke dalam arus elektron (elektrik) dan sebaliknya. 

B.     Modulasi Optik
Modulasi adalah suatu proses penumpangan sinyal-sinyal informasi ke dalam sinyal pembawa (carrier), sehingga dapat ditransmisikan ke tujuan. Modulasi optik atau modulasi cahaya adalah teknik modulasi yang menggunakan berkas cahaya berupa pulsa pulsa cahaya sebagai sinyal pembawa informasi. Berkas cahaya yang digunakan disini adalah berkas cahaya yang dihasilkan oleh suatu sumber cahaya (laser atau LED). Dibandingkan dengan modulasi konvensional, modulasi cahaya memiliki keunggulan dalam hal ketahanan terhadap derau yang sangat tinggi, karena sinyal tidak dipengaruhi medan elektromagnet. Di samping itu, sistem ini memungkinkan adanya bitrate hingga mencapai ratusan gigabit per detik. Dalam modulasi optik, sinyal dapat dimodulasi amplitudonya yang dikenal dengan modulasi intensitas (Intensity Modulation) berupa Amplitudo Shift Keying (ASK) / On-Off Keying (OOK). Selain itu, berkas cahaya dapat juga dimodulasi frekuensinya atau lebih tepat modulasi panjang gelombang (Wavelength Modulation). Dan yang ketiga adalah dimodulasi fasanya (Phasa Modulation).

C.     Teknik Modulasi Optik
Dalam modulasi optik koheren, sinyal cahaya yang dimodulasikan dapat direpresentasikan dalam bentuk rumus besaran elektrik. Adapun rumus dasar besaran tersebut dapat didefinisikan :
rumus dasar besaran elektrik.jpg
dimana : Keterangan      
keterangan rumus dasar besaran elektrik.jpg
Dari persamaan dasar diatas, dapat diturunkan tiga macam teknik modulasi optik :
1.      Amplitude Shift Keying (ASK) atau disebut juga On-Off Keying (OOK) yang memodulasi sinyal optik dengan perubahan amplitudo antara “0” dan “1” sementara frekuensi konstan dan tak ada lompatan fasa.
2.      Frequency Shift Keying (FSK) yan memodulasi sinyal optik dengan perubahan Frekuensi w1 ( omega 1) dan  w2 ( omega 2) danmewakili sinyal biner, sementara amplitudo konstan dan tak terjadi lompatan fasa.
3.      Phase Shift Keying (PSK) yang memodulasi sinyal optik berdasarkan perubahan fasa menurut gelombang sinus:
rumus gelombang sinus.jpg
dimana beta adalah indeks modulasi dan adalah frekuensi modulasi omega M



D.    Modulator Optik
Modulator optik berfungsi memodulasi cahaya dengan cara mengubah-ubah amplitude, frikuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga mampu membawa sinyal info. Berdasarkan tempat terjadinya modulasi, ada 2 macam modulasi optik, sehingga dengan sendirinya ada 2 macam modulator, yaitu modulator internal (internal modulator) dan modulator eksternal (external modulator). Modulator internal memodulasi cahaya di dalam perangkat sumber cahayanya, sedangkan modulator eksternal memodulasi cahaya di luar perangkat sumber cahayanya. Berdasarkan interaksi antara sinyal masukan dengan media interaksi optik, maka terdapat tiga jenis modulator ekstern yaitu elektro-optik, magneto-optik, dan akusto-optik. Tetapi di dalam Tugas Akhir ini dibatasi hanya menggunakan modulator elektro-optik tepatnya interferometer Mach Zehnder sebagai pemodulasi cahaya.

E.     Modulator Internal (Sumber Cahaya)
Ada dua sumber cahaya yang dikenal dalam komunikasi optik: Light Emitting Diode (LED) dan Illuminating Laser Diode (ILD) yang lebih sering disebut laser. Perbandingan karakteristik LED dan LASER:
a.       Light Emitting Diode (LED):
1.      Daya optik keluaran rendah.
2.      Penguatan cahaya tidak ada.
3.      Stabil terhadap suhu.
4.      Disipasi panas kecil.
5.      Arus pacu kecil.
6.      Lifetime lebih sedikit.
7.      Tidak compatible dengan fiber optik single mode sehingga tidak cocok untuk komunikasi jarak jauh (long haul).

b.       Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER):
1.      Daya optik keluaran besar.
2.       Terdapat penguatan cahaya.
3.      Kurang stabil terhadap suhu.
4.      Disipasi panas besar.
5.      Arus pacu besar.
6.      Lifetime lebih lama.
7.      Kompatible dengan fiber optik jenis single mode sehingga sangat cocok digunakan untuk komunikasi jarak jauh. Dari perbandingan karakteristik di atas, maka diperoleh bahwa LASER mempunyai kriteria yang lebih baik dan lebih cocok untuk sistem yang digunakan daripada LED sebagai sumber cahaya.

F.      Modulator Eksternal
Modulator eksternal yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah elektro-optik yang memanfaatkan interaksi sinyal elektrik dengan media interaksi. Interaksi yang terjadi pada elektro-optik ini adalah terjadinya perubahan indek bias media interaksi akibat pengaruh medan elektrik yang diberikan kepada media interaksi tersebut. Jika medan elektrik diberikan kepada media interaksi optik maka distribusi elektron pada media interaksi akan terdistorsi dan terpolarisasi sehingga menyebabkan indeks bias media interaksi berubah secara isotropik sehingga akan mengubah karakteristik pandu gelombang optik atau karakteristik media interaksi. Dengan berubahnya karakteristik tersebut maka mode perambatan berkas akan berubah baik berupa perubahan fasa ataupun panjang gelombang. Pengaruh medan elektrik pada perubahan indeks bias media interaksi menghasilkan dua macam interaksi elektro-optik yaitu : Efek Pockels yang merupakan efek linier elektro-optik pada media interaksi zat padat. Efek Kerr yang merupakan efek kuadrat elektro-optik pada media interaksi yang umumnya berupa zat cair.

G.    Mach Zehnder
Mach Zehnder merupakan jenis modulator eksternal elektro-optik yang digunakan dalam Tugas Akhir ini, bekerja mempengaruhi berkas cahaya yang melintas dengan menggunakan medan elektromagnetik tertentu yang dihasilkan oleh pulsa-pulsa listrik. Atau dengan kata lain modulator ini bekerja berdasarkan prinsip perpaduan (interfering) dua berkas cahaya koheren yang menghasilkan pola garis-garis cahaya (fringe) sesuai dengan besarnya beda fasa antara dua berkas cahaya tadi. Gambar 2.2 adalah skema dasar Interferometer Mach Zehnder. Pada gambar tersebut nampak jelas cara kerja alat jika dilihat dari arah rambatan cahayanya
model prisma interferometer mach zehnder.jpg
Keterangan :
S sumber berkas
P titik fokus lensa L2
W1,W2,W3 muka gelombang optik
L1 dan L2 lensa kolimator
D1 dan D2 media semi pantul
M1 dan M2 cermin pemantul
Perbedaan fasa yang terjadi bisa disebabkan dua hal, yaitu perbedaan fasa karena pemantulan atau perbedaan karena lintasan. Pada kasus ini perbedaan fasa yang ditimbulkan disebabkan karena perbedaan lintasan yang ditempuh kedua berkas sinar. Perbedaan fasa akibat pantulan tidak terjadi di sini, karena terjadinya pantulan pada masing-masing berkas sinar sama, yaitu tiap berkas sama-sama mengalami dua kali pemantulan. Beda fasa antara dua berkas cahaya pada titik P dapat dinyatakan dalam persamaan:
rumus beda phasa.jpg
dimana :
h adalah selisih jarak antara dua berkas cahaya dalam interferometer.
n adalah indeks bias medium perambatan optik.
Pada titik P, tempat bertemunya dua berkas cahaya tadi, akan terjadi pola dengan titik pusat (fringe) terang jika :
rumus titik gelap.jpg

dan fringe gelap jika :
rumus fringe gelap.jpg
Dari persamaan diatas  , pola interferensi muncul akibat perbedaan lintasan antara dua berkas cahaya yang masuk dalam interferometer sehingga menimbulkan perbedaan fasa antara kedua berkas tersebut. Jika tidak ada perbedaan lintasan antara kedua berkas, maka tidak akan timbul interferensi karena tidak ada beda fasa antara kedua berkas sehingga keduanya akan menyatu kembali dengan sempurna. Perbedaan lintasan ini muncul karena kedua berkas tiba pada titik yang berbeda pada L2 sehingga keduanya mencapai titik fokus lensa L2 yaitu P dengan menempuh jarak lintasan yang berbeda pula.Karena pola interferensi yang muncul tergantung pada parameter n dan parameter h, maka persamaan  di atas dapat diturunkan berdasarkan kedua parameter tersebut. Bila diturunkan rumus beda fasa di atas, maka akan diperoleh :
rumus beda phasa 2.jpg
rumus beda fasa 2
     Dari penurunan persamaan di atas, seperti yang ditunjukkan oleh persamaan beda fasa (a)terlihat bahwa perubahan fasa tergantung pada perubahan indeks bias n dan perubahan jarak h akibat pergeseran posisi keempat komponen optik yaitu L1, L2, M1, M2. Perubahan fasa tersebut berbanding lurus dengan perubahan kedua parameter tadi. Selain itu, muncul konstanta yang membuat beda fasa tidak menjadi nol bila tidak ada perubahan indeks bias atau perubahan jarak lintasan. Sedangkan pada persamaan beda fasa b menunjukkan pengaruh jarak dalam perubahan fasa dan persamaan beda fasa c menunjukkan hal serupa untuk indeks bias medium perambatan. Berdasarkan gambar model prisma di atas, redaman yang dialami berkas cahaya pada interferometer Mach Zehnder terjadi saat melewati medium udara, media semi pantul (D1 dan D2), lensa kolimator (L1 dan L2). Berkas diserap udara dan lensa-lensa tersebut kemudian berubah menjadi bentuk lain baik berupa panas maupun hamburan berkas. Timbulnya redaman tersebut tak dapat diperkirakan besarnya tergantung karakteristik lensa-lensa dan juga medium udara di sekitar interferometer.
H.    Format Awal Modulasi Sistem Optik
Untuk waktu yang lama, non-return-to-zero on-off-keying (NRZ-OOK) mendominasi format modulasi yang digunakan dalam sistem komunikasi serat optik. Format modulasi NRZ-OOK ini hanya akan disebut OOK. Alasan–alasan yang mungkin mendasari penggunaan OOK pada awal aplikasi serat optik sebagai sistem komunikasi: pertama, OOK ini hanya membutuhkan bandwidth elektrik yang relatif kecil untuk transmitter dan receiver (dibandingkan dengan RZ- OOK); yang kedua, OOK tidak sensitif terhadap noise fasa laser (dibandingkan Phase Shif Keying); dan yang terakhir OOK memiliki konfigurasi yang sederhana pada transmitter maupun receiver. Pada beberapa tahun terakhir, sebagaimana komunikasi serat optik yang mengalami kemajuan dalam hal datarates yang semakin tinggi, DWDM dan komunikasi jarak jauh dengan amplifier optik, modulasi OOK akan menjadi referensi yang baik sebagai pembanding.

Blok diagram transmitter NRZ diperlihatkan dalam gambar dibawah ini , dimana sinyal elektrik dimodulasi dengan sebuah modulator intensitas eksternal. Modulator intensitas ini bisa berupa jenis Mach-Zehnder atau jenis electro-absorbtion, yang mengubah sinyal elektrik OOK dengan data rate Rb menjadi suatu sinyal optik OOK pada data rate yang sama. Lebar pulsa optik pada sebuah pulsa ”1” yang terisolasi (antara bit-bit ”0”) sama dengan kebalikan dari data rate (1/ Rb). Untuk mendeteksi suatu sinyal optik NRZ, digunakan sebuah fotodiode yang sederhana pada receiver, yang akan mengubah daya optik sinyal menjadi arus listrik. Disebut juga direct detection (DD).

  • Digg
  • Del.icio.us
  • StumbleUpon
  • Reddit
  • RSS
Diposting oleh Unknown

0 komentar:

Posting Komentar

Langganan: Posting Komentar (Atom)