PENGUAT SINYAL CAHAYA EDFA PADA SISTEM KOMUNIKASI OPTIK

Abstrak— Pada penggunaan serat optik pada jaringan komunikasi memberikan dampak positif kepada kecepatan data yang didapatkan oleh penggunanya. Namun pada realisasinya kabel optik yang telah terpendam di dalam tanah sering mendapatkan pelemahan sinyal akibat adanya hambatan, maka dibutuhkan sebuah perangkat yang mampu menguatkan sinyal cahaya. Oleh karena itu terdapat perangkat repeater yang berfungsi sebagai penguatan sinyal pada serat kabel optik dengan cara menerima sinyal dari suatu bagian kabel dan kembali memancarkan sinyal tersebut dengan kekuatan yang sama ataupun lebih kuat dibandingkan dengan sinyal aslinya.

Metode penguatan dari repeater ini terbagi menjadi tiga jenis, yaitu Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA), Semiconductor Optical Amplifier (SOA), Fiber Raman Amplifier (FRA), Fiber-Optical Parametric Amplifier (FOPA), Semiconductor Laser Amplifier (SLA), di mana kelima jenis penguatan tersebut memiliki karakteristik berbeda yang penggunaannya tergantung dari kebutuhan. Pada paper ini dibahas mengenai EDFA beserta hasil pengujiannya. Panjang EDFA 4 m dengan Power Pump 80 mW sampe 100 mW, mendapatkan performansi Q factor dan BER terpenuhi.

Kata Kunci: Amplifier, Ebrium Dopped Fiber Amplifier (EDFA)

I. Pendahuluan

Pada saat ini kebutuhan akan internet semakin penting, mengingat hampir disetiap aspek kehidupan memerlukan komunikasi data (internet), salah satu penunjang terjadinya koneksi internet yang sangat dibutuhkan dalam dunia multimedia maupun industri adalah komunikasi fiber optik dimana memiliki kecepatan pengiriman cahaya cukup cepat. maka dari itu dibutuhkan jalur pengiriman data cahaya yang minim terhadap gangguan terhadap faktor eksternal, namun akan muncul masalah baru apabila jarak data yang akan dikirimkan cukup jauh sehingga data yang dikirim berpotensi besar mengalami degradasi informasi data dikarenakan terdapat faktor rugi-rugi media transmisi yaitu kabel fiber optik. Maka dibutuhkan suatu perangkat penguat (amplifier) sinyal untuk memperkuat sinyal untuk mengurangi potensi terjadinya degradasi sinyal.

II. Dasar teori

2.1 Pengertian dan Fungsi Repeater

Repeater pada jaringan komunikasi optik merupakan jenis repeater yang berfungsi untuk menguatkan jangkauan sinyal pada kabel serat optik yang melemah di jalan dan repeater ini bekerja dengan mengubah gelombang cahaya menjadi sinyal listrik dan akan memperkuat sinyal tersebut secara elektrik dan diubah kembali menjadi gelombang cahaya.

Untuk jenis repeater ini, didalam serat kabel optik tersebut terdapat suatu informasi digital dengan secara fisik berwujud sebagai pulsa cahaya yang terbuat itu dari foton yang bisa tersebar dengan secara mengacak itu dalam kabel serat optik [1].

2.2 Cara Kerja EDFA

Prinsip kerja EDFA yaitu dengan menggunakan laser pemompa yang dipompakan kedalam serat optik yang terdoping Erbium dan muatan-muatan pada EDF akan mengalami perpindahan dari pita energi rendah ke level pita energi yang lebih tinggi. Sinyal optik yang melewati serat optik terdoping Erbium tersebut dengan energy fotonnya akan berfungsi sebagai perangsang sehingga muatan-muatan pada EDF akan melepaskan energinya dan saat itu dihasilkan emisi yang bersifat koheren sehingga terjadi penguatan secara optic.[2]

2.3 Karakteristik dan Parameter EDFA

Tabel 2.1 Parameter dan Karakteristik EDFA[2].

Pada Tabel 2.1 ditunjukkan bahwa panjang gelombang pompa yang paling umum untuk EDFA adalah sekitar 980 nm. Cahaya pada panjang gelombang ini memompa ion erbium dari manifold kondisi-tanah ⁴I_{15 / 2} ke manifold ⁴I_{11 / 2}, dari mana terdapat transfer non-radiatif cepat ke level laser atas ⁴I_{13 / 2}. Karena pemindahan cepat itu, pada dasarnya tidak ada deeksitasi melalui emisi terstimulasi oleh cahaya pompa, dan tingkat eksitasi yang sangat tinggi dapat dicapai. Oleh karena itu, pendekatan ini memungkinkan untuk mencapai efisiensi perolehan tertinggi (urutan 10 dB / mW) dan angka kebisingan terendah, walaupun efisiensi daya tidak ideal karena cacat kuantum yang signifikan.

Efisiensi daya yang lebih tinggi dapat dicapai dengan pemompaan in-band sekitar 1450 nm. Namun, emisi yang dirangsang oleh cahaya pompa kemudian membatasi tingkat eksitasi yang dapat dicapai, karenanya juga gain per satuan panjang, dan gain maksimum terjadi pada panjang gelombang yang lebih panjang. Angka kebisingan juga akan lebih tinggi.

Karena penampang laser yang tidak terlalu tinggi, daya saturasi EDFA cukup tinggi dibandingkan dengan penguat optik semikonduktor. Oleh karena itu, simbol tunggal dalam transmisi data kecepatan bit tinggi memiliki energi yang terlalu rendah untuk menyebabkan saturasi gain yang signifikan. Hanya lebih dari ribuan atau jutaan simbol, penguatan menyesuaikan dirinya dengan tingkat daya sinyal rata-rata. [3]

Berikut adalah kelebihan dan kekurangan EDFA [2]:

Kelebihan:

EDFA memiliki pemanfaatan daya pompa yang tinggi (>50%).
Secara langsung dan simultan memperkuat pita panjang gelombang lebar (> 80nm) di wilayah 1550nm, dengan penguatan yang relatif datar.
Kerataan dapat ditingkatkan dengan filter optik gain-rata.
Dapatkan lebih dari 50 dB.
Angka kebisingan rendah cocok untuk aplikasi jarak jauh

Kekurangan:

Ukuran EDFA tidak kecil.
EDFA tidak dapat diintegrasikan dengan perangkat semikonduktor lainnya.

III. MODEL SISTEM

3.1. Konfigurasi Amplifier

Tiga Jenis Amplifier EDFA Untuk Konektivitas DWDM yang digunakan dalam SKKL Menurut fungsinya, EDFA dapat dibagi menjadi tiga jenis: penguat booster, penguat in-line, dan pra-penguat.

Konﬁgurasi ampliﬁer pada umumnya ada tiga macam, yang mana terdiri dari In-line ampliﬁer, pre-ampliﬁer, sertapower booster ampliﬁer, dari tiga macam ampliﬁer tersebut terdapat kelebihannya masing-masing, yang mana penggunaannya sesuai dengan kebutuhan.

Ampliﬁer dikatakan sebagai In-line ampliﬁer apabila ampliﬁer atau penguat berada pada posisi ditengah jaringan, apabila diurut dari TX hinga RX maka, TX- Fiber Optic-Ampliﬁer-Fiber Optic- RX, seperti pada Gambar 3.1. Adapun peruntukan dari in-line ampliﬁer ialah untuk meningkatkan jarak pengiriman.

Ampliﬁer dikatakan sebagai pre-ampliﬁer apabilaampliﬁer atau penguat berada diakhir jaringan, apabila diurut dari TX hinga RX maka, TX -Fiber Optic- Ampliﬁer-RX, seperti pada Gambar 3.2 Adapun peruntukan dari pre-ampliﬁer ialah untuk meningkatkan daya sensitivitas penerima.

Pada tulisan ini terdapat tiga skenario pengujian serat optik dengan kondisi yang berbeda. Pada Gambar 4, serat optik menghubungkan Optical Transmitter dengan Optical

Berbeda dengan pre-ampliﬁer yang mana ampliﬁernya berada diakhir jaringan, power booster ampliﬁer penguatnya berada diawal jaringan, apabila diurut dari TX hinga RX maka, TX-Ampliﬁer-Fiber Optic-RX, seperti pada Gambar 3.3 Adapun peruntukan dari Booster Ampliﬁer ialah untuk meningkatkan daya pengiriman.

3.2 Repeaterless dan Repeatered

Suatu jaringan SKKL dikatakan menggunakan sistem repater-less apabila hanya menggunakan booster, serta pre-ampliﬁer pada konﬁgurasi ampliﬁer-nya, pada umumnya konﬁgurasi Gambar 3.4 ini digunakan untuk jaringan yang cukup dekat. Pada konﬁgurasi repeater-less sistem tidak diperlukannya catuan daya listrik dari landing station sehingga tidak diperlukan perangkat power feed equipment (PFE).

Suatu jaringan SKKL dikatakan menggunakan sistem repeatered Gambar 3.5 apabila menggunakan booster, in-line ampliﬁer, serta pre-ampliﬁer pada konﬁgurasi ampliﬁer-nya, pada umumnya konﬁgurasi ini digunakan untuk jaringan jarak jauh. Pada konﬁgurasi repeatered sistem diperlukan perangkat power feed equipment pada masing-masing landing station, yang berfungsi untuk menyalurkan catuan daya listrik untuk perangkat ampliﬁer atau repeater, khusus-nya untuk in-line ampliﬁer. Karena perangkat ampliﬁer merupakan perangkat active optical network (AON), yang berarti memerlukan catuan daya listrik untuk dapat digunakan.

IV. HASIL DAN ANALISIS

Penguat optik digunakan untuk mengatasi adanya gangguan saat proses transmisi, dalam menerapkan penguat optik dapat menggunakan metode EDFA.

4.1. Analisis EDFA terhadap Power Pump dan Panjang Kabel

Nabila Aprilia, Akhmad Hambali, Irfan Maulana melakukan penelitian tentang Pengaruh Noise Penguat EDFA Pada Performansi Sinyal Downstream TWDM NG-PON2 [6].Penelitian ini dilakukan dengan perencanaan dan simulasi dengan menggunakan jaringan NG-PON2 dengan Teknik TWDM yang memiliki total bitrate 80 Gbps pada link downstream. Sistem yang dibuat menggunakan delapan kanal TWDM dengan masing-masing kanal memiliki bitrate 5 Gbps. Kemudian, perencanaan sistem ini akan dilakukan dengan menggunakan 2 skenario dengan jarak transmisi terpendek 20 km dan jarak transmisi terjauh 40 km dengan tiga titik pembagi daya dengan total split ratio 1:128. Selain itu, sistem ini juga menggunakan EDFA sebagai booster amplifier yang memiliki panjang 1 sampai dengan 5 meter dengan Pump Laser Power sebesar 10 mW hingga 100 Mw. Selanjutnya, dilakukan analisis Gain terhadap perubahan panjang EDFA dan daya pompa serta analisis Gain system dimana hasil dari parameter tersebut akan mempengaruhi nilai dari Noise Figure.

4.1.1 Analisis Gain terhadap Panjang EDFA

Apabila daya pompa terus ditingkatkan maka nilai gain juga akan meningkat dan apabila panjang EDFA ditingkatkan akan berpengaruh pada nilai gain yang dihasilkan

4.1.2 Analisis Noise Figure Terhadap Panjang EDF

Jika daya pompa terus ditingkatkan dan panjang kabel EDFA juga ditingkatkan maka akan menghasilkan noise figure yang meningkat pula.

Dapat kita lihat pada Gambar 4.2 nilai noise figure dari seluruh panjang EDFA memiliki nilai karakteristik yang meningkat pada saat daya pompa 10 mW. Nilai noise figure tertinggi berada pada panjang kabel EDFA 5 meter yaitu 2,59 dB dengan panjang gelombang 1602,31 nm, sedangkan nilai noise figure terendah pada saat panjang kabel EDFA 1 meter dengan panjang gelombang yang digunakan adalah 1596,34 nm. Kemudian pada saat daya pompa ditingkatkan menjadi 50 mW menghasilkan nilai sebagai berikut.

V. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil pengujian yang dilakukan pada sistem pengklasifikasian kondisi rileks pada penelitian ini, didapatkan kesimpulan sebagai berikut:

Jaringan NG-PON2 dengan EDFA telah terbukti bahwa jarak serat optik mempengaruhi perormansi.
Penggunaan kabel EDFA 1 meter mempunyai karakteristik GAIN dan Noise Figure yang relatif naik dari Power Pump 10-50 mW. GAIN saturasi terjadi pada Power Pump 60-100mW.
Panjang EDFA dari 1-3 meter, tidak ada yang memenuhi standar minimal performansi Q factor dan BER.
Panjang EDFA 4 meter dengan Power Pump 80 mW sampe 100 mW, mendapatkan performansi Q factor dan BER terpenuhi.
Panjang EDFA 5 meter dengan 60-100mW, mendapatkan performansi Q factor dan BER terpenuhi.

References

http://repository.usu.ac.id/bitstream/handle/123456789/65326/Chapter%20II.pdf?sequence=4&isAllowed=y
Focc Teknologi Co, Ltd, “Perbandingan Berbagai Jenis Amplifier Optik ”, 2019, http://oahoa.blogspot.com/2015/02/kabel-serat-optik.html
Dr. Rüdiger Paschotta, “Erbium-doped Fiber Amplifers” https://www.rp-photonics.com/erbium_doped_fiber_amplifiers.html.
Dr. Rüdiger Paschotta, “Raman Amplifiers” https://www.rp-photonics.com/raman_amplifiers.html
Dr. Rüdiger Paschotta, “Semiconductor Optical Amplifiers” https://www.rp-photonics.com/semiconductor_optical_amplifiers.html
Nabila Aprilia, A. H., “PENGARUH NOISE PENGUAT EDFA PADA PERFORMANSI SINYAL DOWNSTREAM TDWM NG-PON2”, 2018.
Amin Sudibyo, Fauza Khair, dan Dodi Zulherman, “Analisis Unjuk Kerja Penguat Hybrid pada Sistem DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing),” Proceedings on Conference on Electrical Engineering, Telematics, Industrial Technology, and Creative Media, Aug, 2018.
Wahyu Nur Annisa, A. H., “ANALISIS PERFORMANSI PENGUAT OPTIK HYBRID MENGGUNAKAN TIGA POMPA PADA PENGUAT RAMAN,” e-Proceeding of Engineering, pp-1560, 2016.