Serat Optik

Fiber optik adalah sebuah kaca murni yang panjang dan tipis serta berdiameter sebesar rambut manusia. Dan dalam pengunaannya beberapa fiber optik dijadikan satu dalam sebuah tempat yang dinamakan kabel optik dan digunakan untuk mengantarkan data digital yang berupa sinar dalam jarak yang sangat jauh.

Bagian-bagian fiber optik

Core adalah kaca tipis yang merupakan bagian inti dari fiber optik yang dimana pengiriman sinar dilakukan. Cladding adalah materi yang mengelilingi inti yang berfungsi memantulkan sinar kembali ke dalam inti(core).

Buffer Coating adalah plastic pelapis yang melindungi fiber dari kerusakan.

Jenis Fiber Optik

1.      Single-mode fibers

Mempunyai inti yang kecil (berdiameter 0.00035 inch atau 9 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang gelombang 1300-1550 nanometer)

Struktur khas serat single-mode .
1. Core: 8 m diameter
2. Cladding: 125 diameter pM.
3. Buffer: 250 diameter pM.
4. Jaket: 400 diameter pM.

Serat dengan diameter inti kurang dari sekitar sepuluh kali panjang gelombang dari cahaya yang merambat tidak dapat dimodelkan menggunakan optik geometris. Sebaliknya, harus dianalisis sebagai elektromagnetik struktur, dengan solusi dari persamaan Maxwell sebagai direduksi menjadi persamaan gelombang elektromagnetik . Analisis elektromagnetik juga mungkin diperlukan untuk memahami perilaku seperti spekel yang terjadi ketika koherenpropagasi cahaya dalam multi-mode serat. Sebagai Waveguide optik, serat mendukung satu atau lebih terbatas mode melintang dimana cahaya dapat merambat sepanjang serat. Serat mendukung hanya satu modus disebut single-mode atau mono-mode serat. Perilaku yang lebih besar-core multi-mode serat juga dapat dimodelkan menggunakan persamaan gelombang, yang menunjukkan bahwa serat seperti mendukung lebih dari satu modus propagasi (maka nama). Hasil pemodelan seperti multi-mode serat sekitar setuju dengan prediksi optik geometris, jika inti serat cukup besar untuk mendukung lebih dari satu mode saja.

Analisis Waveguide menunjukkan bahwa energi cahaya dalam serat tidak sepenuhnya terkurung di inti. Sebaliknya, terutama dalam single-mode serat, fraksi yang signifikan dari energi dalam modus perjalanan terikat dalam kelongsong sebagai gelombang cepat berlalu dr ingatan .

Jenis yang paling umum dari serat single-mode memiliki diameter inti dari 8-10 mikrometer dan dirancang untuk digunakan dalam inframerah dekat . Struktur modus tergantung pada panjang gelombang dari cahaya yang digunakan, sehingga serat ini sebenarnya mendukung sejumlah kecil mode tambahan pada panjang gelombang terlihat. Multi-mode serat, sebagai perbandingan, diproduksi dengan diameter inti sekecil 50 mikrometer dan seluas ratusan mikrometer.Para frekuensi ternormalisasi V untuk serat ini harus kurang dari nol pertama dari fungsi Bessel J ₀ (sekitar 2,405).

2.      Multi-mode fibers

Mempunyai inti yang lebih besar(berdiameter 0.0025 inch atau 62.5 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang gelombang 850-1300 nanometer)

Propagasi cahaya melalui serat optik multi-mode .

Laser memantul ke bawah sebuah akrilik batang, yang menggambarkan refleksi internal total cahaya dalam serat optik multi-mode.

Serat dengan diameter inti besar (lebih dari 10 mikrometer) dapat dianalisis dengan optik geometris . Serat seperti disebut multi-mode serat, dari analisis elektromagnetik (lihat di bawah). Dalam serat langkah-indeks multi-mode, sinar cahaya dipandu sepanjang inti serat oleh refleksi internal total. Sinar yang memenuhi batas core-cladding pada sudut tinggi (diukur relatif terhadap garis normal, untuk batas), lebih besar dari sudut kritis untuk batas ini, benar-benar tercermin. Sudut kritis (sudut minimum untuk refleksi internal total) ditentukan oleh perbedaan indeks bias antara inti dan bahan kelongsong. Sinar yang memenuhi batas pada sudut rendah dibiaskan dari inti ke dalam kelongsong, dan tidak menyampaikan informasi cahaya dan karenanya sepanjang serat.Sudut kritis menentukan sudut penerimaan serat, sering dilaporkan sebagai aperture numerik . Sebuah aperture numerik yang tinggi memungkinkan cahaya untuk merambat menuruni serat dalam sinar baik dekat dengan sumbu dan di berbagai sudut, yang memungkinkan kopling efisien cahaya ke dalam serat.Namun, hal ini aperture numerik yang tinggi meningkatkan jumlah dispersi sebagai sinar pada sudut yang berbeda memiliki panjang jalan dan karena itu mengambil waktu yang berbeda untuk melintasi serat.

Serat optik jenis.

Dalam dinilai-indeks serat, indeks bias dalam inti menurun terus menerus antara sumbu dan cladding. Hal ini menyebabkan sinar cahaya untuk menekuk lancar ketika mereka mendekati cladding, bukannya mencerminkan tiba-tiba dari batas core-cladding. Jalur melengkung sehingga mengurangi multi-jalan dispersi karena sinar sudut tinggi lulus lebih melalui pinggiran rendah indeks inti, bukan tinggi-indeks pusat. Profil indeks dipilih untuk meminimalkan perbedaan dalam kecepatan propagasi aksial dari sinar berbagai serat. Ini profil indeks ideal adalah sangat dekat dengan parabola hubungan antara indeks dan jarak dari sumbu.

Cara Kerja Fiber Optik

Sinar dalam fiber optik berjalan melalui inti dengan secara memantul dari cladding, dan hal ini disebut total internal reflection, karena cladding sama sekali tidak menyerap sinar dari inti. Akan tetapi dikarenakan ketidakmurnian kaca sinyal cahaya akan terdegradasi, ketahanan sinyal tergantung pada kemurnian kaca dan panjang gelombang sinyal.

Pada dasarnya, sistem komunikasi serat optik terdiri dari tiga bagian: pemancar (transmitter), saluran komunikasi, dan penerima (receiver). Transmitter (yang terdiri dari dioda laser dan LED) berfungsi mengubah sinyal elektronik ke dalam bentuk gelombang cahaya dan memasukkannya ke dalam serat optik. Dibandingkan kabel tembaga, sebatang kabel serat optik memiliki bandwidth lebih banyak (sampai dengan 1 Terabit/detik atau 10¹² bit/detik), material loss yang rendah, tidak menghasilkan electromagnetik noise, dan juga tidak terpengaruhi oleh gelombang elektromagnetik dari luar (electromagnetic interference). Dilihat dari segi bandwidth, serat optik jelas jauh lebih unggul daripada kabel tembaga atau nirkabel/satelit. Penerima (photodetector) berfungsi mengubah sinyal cahaya kembali ke dalam bentuk elektronik. Alat-alat opto-elektronik yang dipakai dalam sistem serat optik sebagian besar terbuat daripada bahan semikonduktor, khususnya senyawa yang terbentuk dari unsur-unsur golongan III (seperti Ga) dan golongan V (seperti As). Senyawa-senyawa yang terbentuk dari elemen-elemen golongan III-V mempunyai bandgap langsung yang memudahkan transisi elektron dari band konduksi ke band valensi dengan menghasilkan photon pada prosesnya. Akhir-akhir ini, kemajuan dalam ilmu nanoteknologi, khususnya di bidang eksperimen, telah memungkinkan para ilmuwan untuk membuat struktur dalam skala nanometer.

Keuntungan Fiber Optik

Murah : jika dibandingkan dengan kabel tembaga dalam panjang yang sama.
Lebih tipis: mempunyai diameter yang lebih kecil daripada kabel tembaga.
Kapasitas lebih besar.  Sinyal degradasi lebih kecil. Tidak mudah terbakar : tidak mengalirkan listrik. Fleksibel. Sinyal digital.

Bagaimana Fiber Optik Dibuat

Making a preform glass cylinder

Proses ini disebut modified chemical vapor deposition (MCVD).
Silikon dan germanium bereaksi dengan oksigen membentuk SiO2 dan GeO2.
SiO2 dan GeO2 menyatu dan membentuk kaca.

Proses ini dilakukan secara otomatis dan membutuhkan waktu beberapa jam.

Drawing the fiber from the preform

Setelah proses pertama selesai preform dimasukkan kedalam fiber drawing tower.
Kemudian dipanaskan 1900-2200 derajat celcius sampai meleleh.
Lelehan tersebut jatuh melewati laser mikrometer sehingga preform membentuk benang.
Dilakukan proses coating dan UV Curing.

Testing the Finished Optical Fiber

Tensile strength: harus mampu menahan 100.000 lb/inch2 atau lebih.
Refractive index profile : menghitung layar untuk pemantulan optik.
Fiber geometry : diameter Core, dimensi cladding, diameter cloating adalah seragam.
Attenuation : menghitung kekuatan sinyal dari berbagai panjang gelombang dan jarak.
Information carrying capacity : bandwith

Chromatic dispersion : penyebaran berbagai panjang gelombang sinar melalui core.
Operating temperature

Kabel Optik Yang Sering Digunakan

Distribution Cable

Serat memiliki banyak kegunaan dalam penginderaan jauh. Dalam beberapa aplikasi, sensor itu sendiri merupakan serat optik. Dalam kasus lain, serat digunakan untuk menghubungkan sensor non-serat optik ke sistem pengukuran. Tergantung pada aplikasi, serat dapat digunakan karena ukurannya yang kecil, atau fakta bahwa tidak ada daya li

strik yang diperlukan di lokasi terpencil, atau karena banyak sensor dapat multiplexing sepanjang serat dengan menggunakan panjang gelombang cahaya yang berbeda untuk setiap sensor, atau dengan merasakan waktu tunda sebagai cahaya melewati sepanjang serat melalui setiap sensor. Penundaan waktu dapat ditentukan dengan menggunakan perangkat seperti reflectometer waktu-domain optik .

Serat optik dapat digunakan sebagai sensor untuk mengukur regangan , suhu , tekanan dan jumlah lain dengan memodifikasi serat sehingga properti untuk mengukur memodulasi intensitas , fase ,polarisasi , panjang gelombang , atau waktu transit cahaya dalam serat. Sensor yang bervariasi intensitas cahaya yang paling sederhana, karena hanya sumber yang sederhana dan detektor diperlukan. Sebuah fitur yang sangat berguna seperti sensor serat optik adalah bahwa mereka dapat, jika diperlukan, menyediakan didistribusikan penginderaan jarak hingga satu meter.

Sensor serat optik ekstrinsik menggunakan kabel serat optik , biasanya mode multi-satu, untuk mengirimkan modulasi cahaya dari sensor baik-atau non-serat optik sensor elektronik yang disambungkan ke sebuah pemancar optik. Keuntungan utama dari sensor ekstrinsik adalah kemampuan mereka untuk mencapai tempat tidak terjangkau. Contohnya adalah pengukuran suhu di dalampesawat mesin jet dengan menggunakan serat untuk mengirimkan radiasi menjadi radiasi pirometer luar mesin. Sensor ekstrinsik dapat digunakan dengan cara yang sama untuk mengukur suhu internal transformator listrik , dimana ekstrim medan elektromagnetik ini membuat teknik pengukuran lain tidak mungkin. Ekstrinsik sensor getaran ukuran, rotasi, perpindahan, kecepatan, percepatan, torsi, dan memutar. Sebuah versi solid state dari giroskop, menggunakan interferensi cahaya, telah dikembangkan. Para giroskop serat optik (FOG) memiliki bagian yang bergerak, dan memanfaatkanefek Sagnac untuk mendeteksi rotasi mekanik.

Umum digunakan untuk sensor serat optik meliputi sistem deteksi intrusi keamanan yang canggih. Cahaya ditransmisikan sepanjang kabel sensor serat optik ditempatkan pada pagar, pipa, atau pemasangan kabel komunikasi, dan sinyal kembali dimonitor dan dianalisis untuk gangguan. Ini sinyal kembali secara digital diproses untuk mendeteksi gangguan dan perjalanan alarm jika intrusi telah terjadi.

Prinsip Operasi

Sebuah serat optik adalah silinder Waveguide dielektrik ( nonconducting Waveguide) yang mentransmisikan cahaya di sepanjang sumbunya, dengan proses refleksi internal total . Serat yang terdiri dariinti yang dikelilingi oleh cladding lapisan, baik yang terbuat dari dielektrik bahan. Untuk membatasi sinyal optik dalam inti, indeks bias dari inti harus lebih besar dibandingkan dengan cladding. Batas antara inti dan cladding baik mungkin tiba-tiba, di langkah-indeks serat , atau bertahap, dalam gradasi-indeks serat .

Khusus-tujuan serat

Beberapa serat optik tujuan khusus dibangun dengan inti non-silinder dan / atau lapisan cladding, biasanya dengan penampang berbentuk bulat panjang atau persegi panjang. Ini termasuk mempertahankan polarisasi-serat dan serat yang dirancang untuk menekan berbisik galeri modus propagasi.

Foton-kristal serat dibuat dengan pola yang teratur variasi indeks (sering dalam bentuk lubang silindris yang berjalan di sepanjang serat). Serat seperti menggunakan difraksi efek bukan atau di samping refleksi internal total, untuk membatasi cahaya untuk inti serat. Sifat-sifat serat dapat disesuaikan untuk berbagai aplikasi.