Konsep Fisika pada Fiber Optik

Teknologi kabel fiber optik menjadi media utama teknologi telekomunikasi dan teknologi informasi. Kita tak bisa membayangkan revolusi industri 4.0 tanpa kehadiran teknologi ini. Saat ini kabel fiber optik menjadi tulang punggung telekomunikasi global, bersama teknologi satelit dan radio wireless. Namun kapasitas dan jangkauan kabel fiber optik jauh lebih besar dibandingkan teknologi komunikasi berbasis radio tsb.

Teknologi kabel fiber optik bisa terwujud karena riset yang luar biasa di bidang fisika. Pada teknologi ini hampir semua aspeknya di inisiasi oleh penemuan fisika, baik fisika klasik maupun fisika modern. Dalam teknologi fiber optik, cahaya diperlakukan tidak hanya sebagai gelombang tapi juga sebagai partikel sekaligus.

Berikut ini adalah konsep fisika pada fiber optik yang menjadi bagian dari Fisika Klasik yang menjadi dasar-dasar bagaimana gelombang cahaya bisa menjalar dalam kabel fiber optik.

Fenomena Pembiasan dan Pemantulan

Pembiasan dan pemantulan
Kita sudah lama memahami bahwa saat melihat benda di dalam air maka posisi sebenarnya benda berbeda dengan apa yang kita lihat.

Konsep dasar dari peristiwa pembelokan cahaya sebenarnya sudah lama dipahami oleh manusia. Manusia sudah mengerti bahwa saat melihat benda di dalam air maka yang dilihat sebenarnya adalah bayangannya. Bukan posisi asli dari benda tersebut di dalam air.

Sama seperti kita melihat ikan di dalam kolam, yang kita lihat adalah bayangan dari sang ikan. Padahal ikan sebenarnya berada di posisi yang berbeda dengan bayangannya. Fenomena ini terjadi karena adanya efek pembiasan atau refraksi.

Pembiasan ini terjadi karena adanya perbedaan indeks bias antara medium udara dan air. Dimana udara memiliki kerapatan medium yang lebih rendah dibandingkan air sehingga indeks bias air lebih tinggi dibandingkan udara. Inilah salah satu konsep fisika pada fiber optik.

refraction and reflection
Interaksi cahaya terhadap dua medium yang berbeda kerapatan (indeks bias) tidak hanya mengalami pembiasan (refraksi) saja tapi juga pemantulan (refleksi).

Sebenarnya interaksi cahaya terhadap dua medium yang berbeda kerapatan (indeks bias) tidak hanya mengalami pembiasan (refraksi) saja tapi juga pemantulan (refleksi). Jadi saat sinar cahaya masuk dari medium kurang rapat ke medium yang lebih rapat, maka tergantung sudut datangnya, sinar secara umum akan mengalami pembiasan dan pemantulan. Sinar yang dipantulkan akan membentuk sudut yang sama dengan sinar saat datang. Kemudian sudut refraksi atau pembiasan akan berbanding terbalik dengan rasio indeks bias kedua material tersebut.

Hukum Snellius

Secara sederhana peristiwa pembiasan dapat dijabarkan dalam suatu hukum yang dinamakan sebagai hukum pembiasan atau hukum snellius, yang bunyinya adalah sebagaimana berikut:

snellius law

  • Sinar datang, sinar bias, dan garis normal terletak pada satu bidang datang
  • Jika sinar datang dari medium kurang rapat ke medium yang lebih rapat akan dibiaskan mendekati garis normal. Kemudian sinar datang dari medium lebih rapat ke medium yang kurang rapat akan dibiaskan menjauhi garis normal. Bila ternyata sinar datang mendekati garis normal maka sinar tersebut tidak akan mengalami pembiasan.
Persamaan matematika hukum snellius
Hukum Snellius di eskpresikan dalam bentuk persamaan matematika

Hukum pembiasan atau Hukum Snellius kemudian dirumuskan dalam bentuk matematika yang memberikan penjelasan terhadap hubungan antara sudut bias pada cahaya yang melalui dua medium yang berbeda. Hukum ini menyatakan bahwa rasio sinus sudut datang dan sudut bias adalah konstan, yang tergantung pada medium. Perumusan lain yang kurang lebihnya sama adalah rasio sudut datang dan sudut bias sama dengan rasio kecepatan cahaya pada kedua medium, berbanding terbalik dengan rasio indeks bias kedua medium tsb.

Cahaya Terpandu dalam Air

Salah satu fenomena fisis yang menjadi konsep dasar dari kabel fiber optik adalah peristiwa di mana cahaya terperangkap di dalam air. Fenomena ini didemonstrasikan pada tahun 1940-an setelah teknologi awal laser ditemukan. Di mana cahaya ternyata mengikuti bentuk aliran air yang memancar atau mancur dari lubang pada bejana. Sebenarnya kata terperangkap bukan istilah yang tepat. Lebih tepatnya cahaya mengalami proses pemanduan karena efek refleksi terhadap batas bias antara cairan dan udara sehingga akhirnya cahaya mengikuti bentuk aliran air yang keluar dari bejana.

cahaya terpandu
Fenomena dimana cahaya terpandu atau terjebak dalam aliran fluida sehingga mengikuti bentuk aliran tersebut.

Karena fenomena fisis inilah maka kita bisa menyimpulkan bahwa cahaya bisa dipandu atau dengan kata lain dibelokkan sesuai dengan keinginan kita. Kemampuan kita dalam memahami fenomena ini dalam serangkaian konsep, teori dasar, dan formulasi fisika akhirnya mengantarkan manusia untuk memanipulasi cahaya demi kepentingan dirinya. Salah satunya adalah memanipulasi cahaya untuk menjadi alat transmisi dalam komunikasi data dengan menggunakan kabel fiber optik.

Total Internal Reflection

Konsep total internal reflection
Fenomena pemantulan sempurna hanya bisa terjadi apabila sinar datang membentuk sudut yang lebih besar daripada sudut kritis.

Peristiwa pemantulan sempurna hanya bisa terjadi apabila sinar datang membentuk sudut yang lebih besar daripada sudut kritis. Sudut kritis adalah sudut yang dibentuk antara sinar datang dengan garis normal dimana sinar bias-nya mengalami pembelokan hingga 90 derajat menjadi sejajar dengan bidang datar. Peristiwa pemantulan sempurna ini sering di istilahkan sebagai total internal reflection.

Contoh internal reflection di akuarium
Contoh terjadinya peristiwa seolah-olah ikan memiliki bayangan sempurna di atasnya karena adanya total internal reflection

Contoh peristiwa atau fenomena total internal reflection adalah saat kita melihat permukaan air aquarium dari arah bawah, nampak seolah-olah ada bayangan ikan di atasnya padahal kita tahu bahwa di bagian atas dari aquarium adalah permukaan air. Karena peristiwa total internal reflection maka permukaan air sebagai bidang batas medium air dan udara berfungsi seolah-olah sebagai cermin yang memantulkan bayangan dari benda yang ada dibawahnya.

Total Internal Reflection di Kabel Fiber Optik
Dengan membuat sedemikian sinyal optik mengalami pemantulan secara total internal reflection maka inilah prinsip kerja penjalaran sinyal optik sepanjang kabel fiber optik.

Konsep total internal reflection inilah yang kemudian menjadi konsep dasar penjalaran sinyal cahaya di dalam kabel fiber optik. Dimana sudut datang sinyal cahaya dibuat sedemikian sehingga menghasilkan total internal reflection akibatnya sinyal cahaya terus-menerus dipantulkan secara sempurna di sepanjang kabel fiber optik hingga akhirnya mencapai ujung kabel lainnya. Total internal reflection inilah memastikan sinyal cahaya menjalar mengikuti bentuk fisik lengkung kabel hingga akhirnya sinyal sampai pada ujung kabel fiber optik lainnya.

Penutup

Seperti telah dijelaskan di awal, konsep fisika tersebut diatas adalah penjelasan konsep fisika klasik terhadap proses bagaimana gelombang cahaya sinyal optik menjalar sepanjang kabel. Dalam bahasan lain yang lebih detail seperti bagaimana optical amplifier bekerja, bagaimana proses pengukuran atenuasi (peredaman) pada kabel fiber optik, dsb maka pendekatannya menggunakan konsep fisika modern.

***