Power Launching dan Kopling

• Efisiensi kopling antara sumber cahaya dengan serat optik didefinisikan sebagai :

dimana Pso adalah daya optis yang dapat dipandu dalam serat

optik, dan Psc adalah daya optis yang dipancarkan oleh sumber optik.

sc

sok P

P

Pola Keluaran Sumber Optik

• Untuk menentukan kemampuan penerimaan daya optis dari serat optik, pola radiasi ruang dari sumber optik harus diketahui

• Perhatikan sistem koordinat bola pada, dimana sistem dikarakteristikan oleh R, θ, dan φ , dengan garis normal tegak lurus ke permukaan pancaran pada sumbu kutub.

• Radiasi dari sumber optik merupakan fungsi dari θ, dan φ

R

Luas

Pancaran

Gambar Sistem Koordinat bola untuk pola pancaran sumber optik

Pusat Pancaran

Pola radiasi lambertian adalahdimana B0 adalah radiasi sepanjang garis normal ke permukaan radiasi.

• LED, “Suface emitter” menghasilkan keluaran optis dengan pola lambertian, yaitu mempunyai tingkat terang yang sama dari semua arah.

• Daya yang dipancarkan pada sudut θ, diukur relatif terhadap garis normal ke permukaan pancaran bervariasi sebagai cos θ, karena luas proyeksi dari permukaan pancaran bervariasi sebagai cos θ terhadap arah pandang .

o.COS((B

• LED “edge-emitter” dan LD mempunyai pola pancar yang lebih kompleks, karena perbedaan radiasi pada keluaran yang sejajar p-n junction B (θ , 00) dan pada keluaran yang tegak lurus p-n junction B (θ , 900). Radiasi seperti ini secara pendekatan dapat dinyatakan sebagai :

• dimana T = koefisen distribusi daya transversal, dan L = koefisien distribusi daya lateral

LT BBB cos

cos

cos

sin

,

1

0

2

0

2

Kopling Langsung Sumber Optik ke Serat Optik

• Untuk menghitung daya optis maksimum yang dapat dikopel kedalam serat optik, marilah dilihat diagram skematik kopling seperti gambar. Disini muka ujung serat berada di pusat permukaan pancaran dari sumber optik dan posisi sedekat mungkin.

• Daya yang dikopel dinyatakan sebagai,

dimana adalah sudut tangkap serat optik, yang berhubungan dengan NA serat optik.

Untuk penyederhanaan, permukaan pancaran dianggap lingkaran. Jika jari-jari sumber optik rs < dari jari-jari inti serat, maka rm = rs ; untuk sebaliknya rs > dari jari-jari inti serat maka rm = a.

rdrd s

m 0,r

0

2π

0

2π

0

maxθ

0

d d θsin θ,Bp

max,0

• Pada LED “Surface emitter” dengan rs < a, maka daya yang dikopel pada serat optik adalah,

• Pada serat optik S-I, NA tidak tergantung pada posisi θs, dan r, pada muka ujung serat sehingga :

rdrddB s

mr 2π max,0

0 0 0

0 sincos2 p

rdrdθθsinπB s

sr 2π

0 0

max 0,2

0 rdrdθ(NA)πB s

sr 2π

0 0

20

20

22SILED, )(P NABrs 2

1022 )(2 Brs

• Jika daya optis total Ps dipancarkan dari luas sumber optik As, suatu hemisphere, maka :

• sehingga PLED ,SI = Ps (NA)2 untuk rs ≤ a

untuk rs > a

d θ d θ sinθ,BP2π

0

π/2

0 Ass

d sin θ cosB 2π/2

0

02 ππrs

022 Bsr

2

2

SILED, )NA( P ss

Pr

a

• Untuk serat optik G-I, NA tergantung pada jarak r dari sumbu inti serat, maka

• Untuk perhitungan lebih teliti perlu dipertimbangkan koefisien pemantulan fresnel pada muka ujung inti serat

sr

r drnrnB0

22

20

2GILED, )(2 P

.2

212 2

1022

a

rBr s

s

2

1

1 R

nn

nn

.

dimana n1 adalah indeks bias inti serat dan n adalah indeks bias medium antara sumber optik dan serat optik

• Sehingga daya optis yang dapat dikopel kedalam serat harus dikalikan dengan faktor T= koefisien Transmitansi yang besarnya : T = 1 – R

• PLED ,SI = (1 – R ) Ps (NA)2 untuk rs ≤ a

• untuk rs ≥ a2

2

SILED, )NA( )1( P ss

Pr

aR

.2

212)1(P 2

1022

GILED,

a

rBrR s

s

Kopling Efisiensi Surface Emitter LED ke Serat Optik sebagai fungsi dari Diameter Emissi.

Disini Serat Optik yang digunakan adalah Multimode Step-Indeks dengan diameter inti serat 50 μm dan NA = 0,20

Pada diameter emissi LED <<<<<< diameter inti serat diperoleh kopling efisiensi yang besar, untuk diameter emissi ≤ 10 μm kopling efisiensi masih mencapai 100%, dan > 10 μm kopling efisiensi menurun secara eksponensial

Perbaikan Kopling Efisiensi Menggunakan Lensa

1. Ujung serat dibuat bundar 2. Dengan lensa bola “imaging” 3. Permukaan LED setengah bola dan serat optik setengah bola 4. Dengan lensa bola kecil “non imaging” 5. Lensa silendris 6. Ujung serat taper

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

• Salah satu metode kopling dengan lensa yang efisiensinya lebih baik adalah dengan menggunakan lensa bola kecil “non imaging”

• Untuk mengkolimating keluaran LED, permukaan pancaran harus diletakkan pada titik fokus lensa, titik fokus lensa dapat diperoleh dari formula lensa gausian.

• Dimana nL = indeks bias lensa, nm = indeks bias medium d0 = jarak objek, di = jarak bayangan, r = jari-jari permukaan lensa.

Dalam hal ini di = ~, d0 diukur dari titik B, nL = 2,0 , nm = 1,0 dan r = -RL, sehingga

d 0 = fn = 2 RL

• Pembesaran G didefinisikan sebagai perbandingan luas penampang lensa terhadap luas pancaran

r

nn

d

n

d

n Lm

i

mL

0

2

2

2

G

s

L

s

L

r

R

r

R

• Daya optis PL yang dapat dikopel kedalam serat optik dengan sudut tangkap penuh 2 θ menjadi :

dimana Ps adalah daya optis total dari LED tanpa lensa.

• dan Efisiensi kopling (PL /Ps) menjadi:

atau

• Jika jari-jari luas pancaran lebih besar dari jari-jari inti serat rs > a, maka tidak mungkin ada perbaikan efisiensi kopling dengan lensa, jadi lebih

baik menggunakan kopling langsung.

2

2

sin Ps PL

s

L

r

R

2

2

sin

s

L

r

R 2

2

)( NAr

R

s

L

Contoh Soal

• Suatu LED GaAlAs/GaAs surface emitter dengan lapisan aktif Ga(0,90) Al(0,10)As mempunyai indeks bias 3,150 dan koefisien penyerapan 20 cm-1 serta tebal 0,9 μm. Panjang LED 300 μm dan lebar 100 μm. Diameter keluaran cahaya pada permukaan LED adalah 40 μm. Pola emisi keluaran LED adalah B(θ, φ) = 100 Cos (θ) mW/cm2.

1. Bila LED dikopling langsung ke suatu serat optik SI-MM dengan diameter inti serat 50 μm, indeks bias inti 1,500 dan NA=0,25 hitunglah estimasi daya optis yang dapat dipandu dalam serat optik.

2. Hitung estimasi daya optis yang dapat dipandu dalam serat optik bila diantara LED dan serat ditempatkan Lensa Bola Kecil Nonimaging dengan indeks bias 2,000 dan diameter 100 μm.

• Penyelesaian (1) Jari-jari emisi keluaran LED, rs = 40 μm/2 = 20 μm

Jari-jari inti serat optik, a = 50 μm/2 = 25 μm karena rs < a PLED ,SI = (1 – R ) Ps (NA)2

Ps LED

= π2 ( 20 x 10-4 cm)2 100 mW/cm2

= 39,4784176 x 10-4 mW R = (3,150 – 1,500)2 / (3,150 + 1,500)2 = 0,125910509 (1 – R) = 1 – 0,125910509 = 0,874089491 PLED ,SI = 0,874089491 x 39,4784176 x 10-4 mW x (0,25)2

= 2,156729372 x 10-4 mW Daya optis yang dipandu dalam serat = 2,157 x 10-4 mW

022 Bsr

• (2) Jari-jari Lensa RL = 100 μm / 2 = 50 μm

PLED,SI dengan Lensa Nonimaging,

PLED,LENS,SI = (RL/rs)2 Ps (NA)2

= (50 μm/20 μm)2 x 2,156729372 x 10-4 mW = 13,47955858 x 10-4 mW dengan menggunakan Lensa Bola Kecil Nonimaging diperoleh

perbaikan daya optis yang dipandu dalam serat optik menjadi 13,480 x 10-4 mW

• Daya optis yang dapat dikopel dari satu serat ke serat lain dibatasi oleh jumlah moda yang dapat merambat dalam setiap serat. Misal jika suatu serat yang merambatkan 500 moda dihubungkan ke serat lain yang hanya dapat merambatkan 400 moda, maka 80% dari daya optis serat pertama dapat dikopel kedalam serat kedua.

• Efisiensi kopling serat ke serat didefinisikan sebagai,

in

outso M

M

dimana Mout adalah jumlah moda yang dikopel pada serat kedua (serat masukan) dan Min adalah jumlah moda pada serat pertama (serat keluaran)

Kopling dari Serat ke Serat

• Jumlah moda maximum dalam serat,

M =

=

= dimana k =

• Rugi-rugi kopling dapat dihitungkan dengan, Loss = -10 log

a

drrnrnk0

22

22 .

a

drrrNAk0

22 .

a

drra

rNAk

0

22 .10

2

so

• Pada pengkoplingan serat ke serat sering terjadi ketidak- tepatan secara mekanik, dan ini merupakan masalah dalam efisiensi kopling, karena ukuran serat sangat kecil.

• Ada tiga macam ketidaktepatan mekanik dalam pengkoplingan yaitu: (a) Lateral (Axial) Displacement,

(b) Longitudinal Separation, dan (c) Angular Misaligment

• Lateral Displacement

• Untuk d <<<<< a , daya yg dikopel

• Rugi-rugi menjadi

x2 x1

Luas A2

Inti serat pemancar 2

d2

d

Luas A1

Inti serat penerima

• Longitudinal Separation

• Loss = - 10 log

Inti serat pemancar

Step indeks

Inti serat penerima

d

ccdx tan

2a x

a

Daya terkopel

loss

2

2

tan

cda

a

• Angular Misaligment

Contoh soal

Dua serat optik yang identik hendak dilakukan penyambungan. Serat optik adalah jenis Step-Indeks dengan diameter inti serat

50 μm dan indeks biasnya 1,485. Numerical Aperture NA serat sebesar 0,20. Dalam penyambungan diperkirakan rugi akibat lateral-offset dan end-separation masing-masing 0,1 dB. Tentukan berapa toleransi lateral-offset dan end-separation diperbolehkan.

Penyelesaian:

Toleransi lateral-offset pada rugi 0,1 dB

-10 log(PT/P) = 0,1 dB PT / P = 0,977237221

[1 – {(8d)/(3πa)}] = 0,977237221

{(8d)/(3πa)} = 1 - 0,977237221

8d = 3 π x 25 μm x 0,022762779

d = 5,363353446 μm / 8

d = 0,67041918 μm toleransi lateral-offset ≤ 0,670 μm

Toleransi end-separation pada rugi 0,1 dB

Loss = -10 log ; θC = arc Sin(0,20) = 11.53695903

= 0,977237221

= (0,977237221)1/2

(25μm / 0.988553094) = 25μm + d tan(11.53695903)d = (25,28948637μm – 25 μm) / 0,204124327d = 1,418186525 μm toleransi end-separation ≤ 1,418 μm

2

tan

cda

a

2

tan

cda

a

cda

a

tan

Penyambungan Serat Optik Single-Mode

• Pada penyambungan serat optik single mode, yang sering menjadi masalah adalah lateral(axial) displacement. Untuk distribusi intensitas optik dalam serat berbentuk Gaussian, rugi sambungan pada serat optik yang identik dapat dihitung dengan

• dimana d adalah jarak lateral diplacement, W =Wo adalah spot-size yang dinyatakan sebagai radius medan mode dan menurut Marcuse besarnya adalah,

• dimana V adalah Normalized Frequency

• Rugi penyambungan akibat longitudinal separation untuk serat optik single-mode dapat dihitung dengan,

• dimana Z = d λ /( 2 π n2 W2 ) dengan d jarak kedua ujung serat, λ adalah panjang gelombang laser yang merambat dalam serat, n2 adalah indeks bias cladding, dan W radius medan mode.

• Rugi penyambungan akibat angular misaligment pada serat optik single-mode dapat dihitung dengan,

• dimana θ adalah angular misaligment dalam radian

Contoh soal

Dua serat optik yang identik hendak dilakukan penyambungan. Serat optik adalah jenis Step-Indeks Single-Mode dengan

diameter inti serat 8 μm dan indeks biasnya 1,485. Numerical Aperture NA serat sebesar 0,25. Tentukan toleransi lateral-offset untuk rugi penyambungan maksimum 0,5 dB, bila akan beroperasi pada panjang gelombang 1550 nm

Penyelesaian

• Hitung normalized frequency

• Hitung spot-size• Wo = 4 x 10-6 m (0,65 + 0,19836936 + 0,00064886) = 4 x 10-6 m x 0,84901822

= 3,39607288 x 10-6 m Hitung efisiensi pada loss penyambungan 0,5 dB

2

122

21

2nn

aV

NAa

V2

25,0m101550

m10429-

-6

x

xxV 05366794,4V

0,5 dB = - log {exp [- (d/w)2]} exp [- (d/w)2] = 10-0,05 = 0,891250938

• ℓn exp [- (d/w)2] = ℓn 0,891250938 - (d/w)2 = - 0,115129254 (d/w)2 = 0,115129254 (d/w) = 0,33930702 d = 0,33930702 x 3,39607288 x 10-6 m = 1,15231137 x 10-6 m Toleransi Lateral offset d ≤ 1,15231137 x 10-6 m

Rugi kopling dua serat dilihat dari jari-jari inti serat a, profile indeks bias α dan Numerical Aperture NA

• Bila kedua serat mempunyai NA dan α sama, tetapi radius inti serat berbeda maka loss kopling dapat dihitung sebagai

LS-O (a) = -10 log untuk aR < aE

LS-O (a) = 0 untuk aR > aE

• dimana aE adalah jari-jari inti serat pemancar dan aR adalah jari-jari inti serat penerima

2

E

R

a

a

aE aR

aE aR

• Bila jari-jari inti serat a dan profile indeks bias α sama, tetapi NA berbeda, maka loss kopling

LS-O (NA) = -10 log untuk NAR (0) < NAE(0)

LS-O (NA) = 0 untuk NAR (0) > NAE(0)

• Dan bila jari-jari inti serat a dan NA sama, tetapi profile indeks bias inti serat α berbeda maka,

LS-O ( ) = -10 log untuk αR < αE

LS-O ( ) = 0 untuk αR > αE

2

)0(

)0(

E

R

NA

NA

)2(

)2(

RE

ER

Penyambungan Dua Serat Optik

• Biasanya penyambungan dua serta dapat dilakukan dengan: teknik fusi, V-groove dan tabung elastis.

• Penyambungan dengan teknik fusi

Serat Optik

Pemegang Serat Optik

Electric arc atau fusi laser

• Penyambungan serat dengan teknik fusi dibuat dengan pemanasan kedua ujung serat yang disambungkan seperti gambar. Pemanasan dilakukan dengan electric arc atau pulsa laser, sampai meleleh, setelah itu digabung bersama, dan didinginkan segera.

• Dengan cara ini rugi-rugi penyambungan berkisar 0,1~ 0,2 dB untuk kedua serat yang identik.

• Pada teknik penyambungan V-groove, ujung-ujung serat dihubungkan dalam groove berbentuk V, kemudian digabung bersama-sama dengan adhesive atau dipegang dalam suatu alat “cover plate” Kanal berbentuk V dapat dibuat dari silikon, plastik, keramik atau substrat metal. Rugi-rugi penyambungan sangat tergantung pada ukuran serat dan ketepatan pusat sumbu serat. Rugi penyambungan terbaik diperoleh sekitar 0,5 ~ 1 dB. Serat Optik

Ujung-ujung serat yang disambung Substrate V-groove

• Teknik penyambungan dengan tabung elastis dilakukan dengan alat elastic tubes yang secara otomatis membentuk ketepatan baik secara lateral, longitudinal, maupun angular.

• Kedua ujung serat perlahan-lahan didorongkan kedalam sampai tersambung didalam bahan elastis tersebut. Rugi-rugi penyambungan hampir sama seperti pada penggunaan teknik fusi. Keuntungan cara ini, karena dapat menghindari ketidaktepatan, lateral, logitudinal dan angular, penyambungan dapat dilakukan walaupun diameter inti serat tidak sama.

Bahan Elastis

Serat Optik

Axial aligment

Taper

Ukuran tabung kapiler lebih kecil dari jari-jari serat

Serat Optik