Free space Optik (FSO)

Free Space Optik (FSO)  adalah sebuah teknologi komunikasi optik yang menggunakan propagasi cahaya dalam ruang bebas untuk secara nirkabel mengirimkan data untuk telekomunikasi atau jaringan komputer. Teknologi FSO ini memiliki kelibihan dibandingkan teknologi yang menggunakan optic sebagai saluran transmisi yaitu bebass lisensi, high bandwidth, menghasilkan kebutuhan energy yang rendah dan penghematan biaya

Teknologi FSO pada jaringan teresterial memamfaatkan media atmosfer yang sangat terpengaruh kondisi cuaca sebagai media propagasi informasi sinyal optic. Pengaruh cuaca ini menyebabkan media atmosfer mengalami trubulens. Akibatnya FSO dihadapkan oleh tantangan terbesar antara lain atternuasi yang disebabkan oleh absorpsi dan hamburan sinar oleh partikel gas, terjadinya efek multi lensa (sintilasi) akibat gradient temperature atmosfer yang menyebabkan sinar meleset dari titik penerima.

Redaman cuaca dapat mencapai 13 dB/km pada kondisi cuaca berkabut tebal. Untuk itu diperlukan link margin tambahan untuk mengatasi masalah cuaca agar sistem dapat bekerja dengan baik.

beberapa parameter yang mempengaruhi kinerja sistem optikal wireless :

1. 1)Pengaruh kondisi atmosfer dan besar sudut divergensi transmitter terhadap jarak transmisi sistem komunikasi wireless optik adalah besar.

2. 2)Pengaruh panjang gelombang yang digunakan terhadap jarak transmisi sistem komunikasi wireless optik juga signifikan namun kondisi atmosfer dan sudut divergensi pancaran lebih dominan.

3. 3)Beam yang lebih sempit memberikan keuntungan link margin yang dapat digunakan untuk mengatasi redaman cuaca yang lebih besar.

4. 4)Jika suatu tracking system dapat memberikan toleransi yang lebih besar terhadap perubahan sudut, hal ini mengakibatkan transceiver tidak perlu lagi diarahkan secara periodic, sehingga mengurangi biaya perawatan.

Keuntungan terbesar yang dapat diambil dari sistem optical wireless adalah beam yang sangat tipis yang dapat digunakan. Sebagai hasilnya, redaman lintasan secara virtual dapat diabaikan.

International Electrotechnical Comission (IEC) mengklasifikasikan ketentuan penggunaan laser sebagai sumber optik dan menentukan tingkat keamanan untuk setiap kelas.

Arsitektur Free Space Optik

Transmitter Free Space Optik

Sinyal masukan akan dikuatkan oleh rangkaian penguat sinyal, yang selanjutnya akan di lewatkan ke low-pass filter yang bertujuan agar hanya informasi saja yang akan diteruskan ke rangakaian berikutnya. Sinyal keluaran filter dilewatkan ke rangkaian pre-emphasis, yang selajutnya oeh rangakain modulator Fm akan di modulasi. Keluaran modulasi Fm dilewatkan pada rangkaian penyangga yang kemudian akan dipergunakan untuk memodulasi intensitas cahaya LED infra merah. Melalui antena optic berkas cayaha infra merah tersebut diarahkan ke penerima agar berkas cahaya dapat diterima sebanyak mungkin. Pada penerima berksa sinar yang didapat akan diubah menjadi besaran listrik lalu didemodulasikan untuk mendapat sinyal informasi kembali.

Karena alasan biaya, banyak vendor menggunakan spectrum sumber cahaya pada kisaran 780 nm-850 nm near–infrared. Untuk berbagai alasan lainnya, spektrum 1550 nm yang banyak digunakan pada industri fiber optik lebih cocok bagi sistem optical wireless. Keuntungan utama dari penggunaan panjang gelombang 1550 nm adalah dapat mentransmisikan daya lebih besar. Oleh karena itu daya yang dipancarkan pada 1550 nm dapat lebih besar untuk mengatasi redaman cuaca seperti kabut. Keuntungan lain dari penggunaan panjang gelombang pada 1550 nm adalah mengurangi pengaruh scattering pada kondisi cuaca berkabut dan kemudahan ketersediaan peralatan karena perkembangan teknologi telekomunikasi cenderung menggunakan panjang gelombang 1550 nm. Kekurangan dari penggunaan panjang gelombang 1550 nm diantaranya adalah harga komponen yang mahal dan sensitivitas receiver yang lebih rendah.

Ada dua jenis pemancar optik yang sering digunakan pada sistem wireless optik yaitu Light Emitting Diode (LED) dan semi conductor Laser Diode (LD). LED merupakan pemancar large area yang relatif aman walaupun manggunakan daya pancar yang tinggi sehingga memiliki stander eye safety yang lebih ringan dibandingkan dengan LD yang memiliki berkas pancar yang sempit. Laser Diode adalah teknologi yang berbasis pada teknik pembuatan LED dan memiliki prinsip yang sama dengan LED yaitu transisi carrier pada band gap untuk menghasilkan radiasi photon. Tidak seperti LED yang menghasilkan pancaran spontan jika dikenai arus, LD menghasilkan pancaran photon lain yang dinamakan stimulated emission.

Receiver Free Space Optic

Gambar di bawah menunjukan diagram blok dari sebuah penerima optic yang menggunakan sebuah photo detector sebagai penerimanya. Ada pun cara kerja rangkaian penerima sebagai berikut :

Sinyal optic yang dipancarkan oleh rangkaian pemancar akan diterima oleh photo detector. Besaran cahaya akan diubah menjadi arus listrik yang sangat kecil dan yang perlu dikuatkan oleh prapenguat bertingkat dengan penguatan total lebih kurang 7500 kali. Setelah dikuatkan, sinyal termodulasi Fm tersebut akan dilewatkan pada filter untuk membatasi lebar jalur frekuensi yang akan diproses. Selanjutnya akan dilewatkan pada rangkaian pembatas untuk menghilangkan derau amplitudo. Sinyal yang keluar dari pembatas akan diteruskan pada rangkaian demodulator FM yang berfungsi memisahkan sinyal informasi dari sinyal pembawa. Sinyal informasi yang didapat akan filter kembali dengan rangkaian deemphasis untuk menghilangkan efek preemphasis dari rangkaian pemancar. Akhirnya sinyal informasi akan dikuatkan kembali dengan penguat akhir(amplifier)

Pada suatu transmisi optic, detector cahaya merupakan element pertama dari bagian penerima. Detector cahaya berfungsi mendeteksi dan menerima cahaya yang jatuh pada detector tersebut dan merubah daya optic menjadi daya arus listrik. Suatu detector cahaya harus mempunyai sensitivitas tinggi terhadap anjang gelombang yang digunakan, responsivitas derau yang rendah serta memiliki lebar pita yang memadai

Ada beberapa jenis detector cahaya yang dapat digunakan, namun secara garis besar dapat dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu :

1. Detector cahaya yang dihasilkan oleh erek foto listrik luar, kelompok ini mencakup jenis foto dioda hampa udara dan tabung foto multifire.

2. Detector cahaya yang dihasilkan secara efek foto listrik dalam kelompok ini mencakup detector semikonduktor sambungan (junction), seperti sambungan foto dioda PIN, PIN photo diode dan Avalanche Photo diode(APD)

Photo Diode PIN

Merupakan semi konduktor foto detector yang paling umum. Foto detector PIN merupakan sambungan dari PN. Pada keadaan normal, electron bebas dan lubang(hole) tidak dapat erpindah melewati sambugan, sehingga tidak ada arus yang mengalir. Jika ada foton yang diserap pada sambungan yang berasal dari lapisan P dan energinya lebih besar atau sama dengan energy pita pemisah, maka akan membangkitkan pergerakan electron dan lubang yang dapat menimbulkan arus. Suatu photo diode pin dapat dibuat dari berbagia bahan semikonduktor

Photo diode avalanche

Merupakan sambungan semi konduktor yang memiliki penguatan internal, sehingga dapat meningkatkan responsivitas. Cara kerja APD foton diserap di daerah pengosongan, menimbulkan electron bebas. Gaya listrik yang besar pada bagian ini menyebabkan perubahan percepatan yang dapat membangkitkan energy kinetik

Tabel dibawah memperlihatkan perbandingan p-I-n photodiode dan avalanche photodiode(APD)

Meningkatnya noise bandwidth membatasi sensitivitas dari receiver. Avalanche Photo Diode(APD) dapat meningkatkan sensitivitas hingga 10 dB. Forward Error Correction juga dapat meningkatkan sensitivitas hingga 4 dB lebih. Tantangan paling signifikan dari meningkatnya rate menuju multi Gbps, adalah ukuran (diameter) detector. Karena kapasitansi, detector dengan bandwidth yang lebih tinggi memiliki ukuran yang lebih kecil. Photodetector komersial bervariasi dalam ukuran mulai dari 30µm untuk 10 Gbps hingga 70µm untuk 2,5 Gbps. Field of view yang terbatas ini, mengakibatkan detector ini membutuhkan pointing yang akurat.

Tantangan dalam FSO

1. NoisePada sistem optik noise dibedakan menjadi 2 : Shot noise : Noise yang diakibatkan sumber cahaya lain yang masuk ke detektor

yang memiliki panjang gelombang yang sama dengan sumber informasi. Sumber cahaya seperti cahaya matahari dan cahaya lampu baik incandescent maupun fluorescent memancar pada panjang gelombang yang sama dengan sinyal data infrared.

Thermal noise : Noise yang diakibatkan oleh elemen resistif dalam preamplifire 2. Loss

Loss dibedakan menjadi 2 jenis : Optical losses yang terjadi pada peralatan optik transmitter maupun receiver

mengakibatkan peredaman sinyal. Teknik yang digunakan untuk memperkecil optical losses diantaranya adalah memperkecil permukaan optik dan menggunakan pelapis anti pantul. Untuk mengurangi shot noise, Band Pass filter dengan bandwithsempit seringkali digunakan. Band Pass Filter ini seringkali merupakan elemen lossespaling besar.

Space loss : sinyal yang ditangkap di receiver hanya sebagian dari sinyal yang ditransmisikan pada transmitter.

3. Atmospheric turbulence Seperti diterangkan sebelumnya, diperlukan margin daya tambahan untuk menutupi losses yang disebabkan atmosfir, seperti kabut. Pada kondisi cuaca berkabut, margin daya digunakan untuk mengatasi redaman kabut yang besar. Efek dominan yang terjadi disebabkan oleh kondisi atmosfir adalah redaman sinyal oleh scattering dan absorbtion. Hujan dan salju dapat menyebabkan redaman mencapai 4 dB/km dan 10 dB/km, namun kabut adalah gangguan cuaca yang paling besar. Untuk kondisi kabut tebal redaman bias mencapai 13 dB/km

Beberapa akibat tulbulensi atmosfer

1. Redaman (attenuasi)

atmosfer bukan merupakan media propagasi ideal, karena itu media ini sangat tergantung pada cuaca yang menyebabkan ganguan sebagai berikut :

Absorbsi

pelemahan cahaya yang diakibatkan penyerapan foton. Absorbsi pada FSO akan menyebabkan daya pada laser berkurang secara bertahap sehingga mempengaruhi secara langsung availability system. Kekuatan absorbs tergantung temperature dan tekanan atmosfer

.

Hamburan (scattering)

terjadinya proses hamburan gelombang cahaya oleh partikel yang berada di atmosfer. Efek hamburan tergantung pada jari jari partikel (kabut) selama propagasi

Difraksi (diffraction)

perubahan arah rambat propagasi berkas cahaya akibat terbentur oleh suatu celah sempit. Difraksi disebabkan keberadaan partiel partikel mikro di atmosfer.

Application of FSO

Connectivity Solutions

'Last-Mile' Network Solutions

Temporary Network Provision

Cable Free Connectivity in the Finance Sector

CCTV Security Applications

Keuntungan dari FSO

1. Spektrum frekuensinya tidak diatur oleh regulator, sehingga mengarah pada penggunaan spectrum yang hampir tak terbatas oleh jarigan individu

2. Memiliki bandwidth yang lebar3. Komponen yang murah dan komsumsi daya kecil4. Transmitter cahayanya menggunakan keselamatan mata5. Mempunyai kecepatan yang tinggi ( 10 Mbps sampai 2.5 Gbps)

Kesimpulan Free Space Optik

1. Sistem ini dapat diterapkan di kota – kota besar

2. Sistem ini tidak memilik interferensi gelombang elektro magnetik

3. Sistem ini tidak memerlukan ijin frekuensi.

4. Sistem ini dipengaruhi oleh kondisi atmosfer