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.

Konsep Fisika pada Fiber Optik

Berikut ini adalah beberapa konsep fisika yang digunakan dalam implementasi cara kerja fiber optik sehingga dapat mengantarkan cahaya dari ujung kabel ke ujung kabel lainnya sambil membawa informasi sinyal data sehingga kita bisa berkomunikasi via internet melalui jaringan backbone kabel fiber optik yang menyebar di seluruh pelosok bumi.

Fenomena Pembiasan dan Pemantulan

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.

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:

• 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.

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.

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

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 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.

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 mengenai Konsep Fisika pada Fiber Optik

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. ***

Link terkait:

• Portofolio Jasa Konsultasi dan Audit Teknologi Informasi
• Jasa Konsultan Enterprise Architecture
• Jasa Konsultan Tata Kelola TI
• Jasa Konsultan Tata Kelola Data
• Jasa Konsultan IT Governance
• Jasa Konsultan Sistem Manajemen Keamanan Informasi
• Jasa Konsultan Sistem Manajemen Layanan TI
• Jasa Konsultan IT Service Management
• Jasa Konsultan Transformasi Digital
• Jasa Konsultan RSTI
• Jasa Konsultasi IT Master Plan
• Jasa Asesmen IT Maturity Level
• Jasa Konsultan Solusi ERP
• Jasa Konsultan Integrated Management System
• Jasa Konsultan Pelindungan Data Pribadi

Komunikasi Optik Sederhana

Bangsa Perancis sejak tahun 1790-an telah menggunakan teknik semaphore (yang biasa kita kenal dalam kepramukaan atau kepanduan) untuk mengirimkan inyarat jarak jauh dengan menggunakan semacam alat semaphor raksasa yang diletakkan di atas tower yang dibangun khusus untuk alat tsb. Tower semaphore ini dibangun oleh penguasa Perancis di seluruh penjuru negeri. Tujuannya agar informasi strategis dan vital bisa cepat diketahui oleh rezim berkuasa sehingga mereka bisa cepat dalam mengambil keputusan penting.

Komunikasi optik yang jauh lebih sederhana dan efektif adalah yang digunakan oleh Bangsa Indian Amerika sebagai sarana komunikasi jarak jauh dengan sesama anggota sukunya. Mereka memanfaatkan asap sebagai media komunikasi jarak jauh dengan interval dan bentuk asap tertentu yang dapat dilihat dari kejauhan.

Secara umum interval waktu dan pola asapnya mirip dengan konsep morse yang biasa digunakan oleh masyarakat modern. Saat peperangan dengan kaum kulit putih Amerika, Bangsa Indian menggunakan sarana komunikasi ini dengan efektif sehingga mampu bertahan lama dalam peperangan walaupun pada akhirnya kalah karena superioritas teknologi Bangsa Barat.

Ketertinggalan Teknologi Komunikasi Optik

Namun seiring dengan penemuan dan pemanfaatan telegraph yang menggunakan sinyal elektrik dan menawarkan kebebasan dari permasalahan cuaca, jangkauan pandang yang terbatas, jarak komunikasi yang pendek, berikut dengan kemudahan penggunaannya maka komunikasi optik dengan cara verifikasi visual mulai ditinggalkan.

Pada masa ini teknologi elektromagnetik untuk kepentingan komunikasi radio maupun arus kuat listrik untuk kepentingan industri dan rumah tangga berkembang sangat pesat. Era elektrifikasi ini menjadi awal peradaban modern manusia.  Komunikasi optik seakan terlupakan di pinggir sejarah peradaban manusia.

Terpinggirkan mungkin saja, namun tidak benar-benar hilang dari peradaban manusia. Komunikasi optik secara visual masih digunakan oleh manusia khususnya oleh mereka yang bergiat pada aktivitas pelayaran. Baik itu pelayaran yang sifatnya sipil maupun militer.

Komunikasi visual jarak jauh dengan menggunakan semaphore menjadi alternatif komunikasi pelayaran selain dengan menggunakan komunikasi radio. Selain semaphore para pelaut juga menggunakan kode cahaya dalam pola kode morse. Dalam banyak hal hanya industri pelayaran saja yang masih menggunakan komunikasi optik visual dalam aktivitasnya.

Penemuan Bare Fiber Optic

Pada tahun 1920 sampai dengan 1950-an mulai ditemukan dan dibuat fiber serupa pipa fleksibel yang terbuat dari gelas atau plastik yang digunakan untuk memandu cahaya. Di mana fiber jenis ini memanfaatkan udara di sekelilingnya sebagai batas bias antara gelas-udara di mana gelas dan udara masing-masing memiliki indeks bias berbeda. Dengan demikian batas bias tersebut berfungsi untuk memantulkan cahaya. Material yang disebut bare fiber optik atau secara harafiah adalah fiber optik telanjang adalah cikal bakal dari kabel fiber optik modern.

Selama hampir 30 tahun tak ada perkembangan signifikan dari teknologi bare fiber optic ini. Karena memang saat itu masih terkendala dengan kemampuan teknologi untuk membuat perangkat instrumentasi berpresisi tinggi. Karena perangkat ini dibutuhkan untuk meneliti dan mengembangkan kabel fiber optik yang lebih berkualitas dan dapat diterapkan untuk kebutuhan komunikasi. Di awal perkembangannya teknologi ini memang sangat lambat berkembang. Saat itu penemuan bare fiber optic hanya bermanfaat untuk keperluan entertainment saja.

Penerapan Awal Teknologi Kabel Fiber Optik

Baru pada tahun 1960-an mulai dikembangkan teknologi fiber dengan cladding yang jauh lebih baik dibandingkan dengan teknologi bare fiber optic. Teknologi fiber dengan cladding ini akhirnya memiliki nilai penerapan yang cukup penting karena digunakan dalam perangkat instrumentasi medis untuk melihat ke dalam organ butuh.

Penerapan Kabel Fiber Optik dalam Endoskopi

Alat ini kemudian dinamakan sebagai endoskopi. Ini merupakan lompatan teknologi pertama fiber optik yang memiliki nilai penerapan yang tinggi dalam peradaban manusia. Adanya alat ini membuat para dokter tak perlu membedah isi perut pasien hanya untuk mengetahui kondisi organ dalam tubuh pasien.

Namun demikian secara teknis, teknologi fiber optik dalam endoskopi ini masih jauh untuk bisa digunakan demi kepentingan komunikasi data. Karena gelas yang digunakan tak bisa mentransmisikan cahaya lebih jauh karena ketidakmurnian susunan partikel atom dan molekulnya sehingga atenuasi atau loss of light-nya (intensitas cahaya yang hilang) sebesar 1 dB per-meter.

Padahal teknologi kabel modern saat ini atenuasi-nya adalah 1 dB/1000 meter bahkan lebih kecil lagi bisa sampai 0,4 dB/km. Dengan demikian agar bisa digunakan dalam komunikasi optik, teknologi fiber optik saat itu mesti ditingkatkan kualitasnya 1000 kali, baru bisa dimanfaatkan.

Kabel Fiber Optik untuk Transmisi Sinyal Komunikasi

Pemanfaatan praktis kabel fiber optik untuk endoskopi memicu ilmuwan dan engineer untuk berkompetisi dalam mewujudkan kabel fiber optik yang mampu digunakan untuk kepentingan komunikasi data. Mereka memiliki visi bahwa jika suatu saat nanti kabel fiber optik akan menjadi solusi komunikasi data dengan jangkauan yang jauh dan volume data yang besar.

Pada prinsipnya proses komunikasi menggunakan media kabel fiber optik memanfaatakn sinyal optik yang telah dikalibrasi. Oleh karena itu, agar terjadi proses komunikasi data maka diperlukan perangkat transmitter dan receiver selain tentunya kabel fiber optik.

Perangkat transmitter berfungsi mengubah gelombang digital elektrik (input signal) menjadi sinyal cahaya terkalibrasi sedangkan receiver berfungsi sebaliknya mengubah gelombang atau sinyal cahanya menjadi sinyal digital elektrik (output signal).

Kemudian di sepanjang kabel fiber optik, sinyal cahaya tersebut berjalan terpandu oleh proses refleksi yang terjadi di sepanjang batas bias fiber optik hingga mencapai receiver. Batas bias inilah yang memungkinkan terjadinya proses pemanduan secara reflektif dan ini terjadi karena adanya core dan cladding yang memiliki indeks bias yang berbeda.

Pelopor Kabel Fiber Optik

Charles Kao dan George Haockham secara bersama-sama melakukan penelitian dan menerbitkan karya ilmiah yang membuktikan bahwa loss cahaya pada kabel FO bisa diturunkan secara drastis dengan menghilangkan impuritas atau dengan melakukan proses pemurnian.

Kemudian Charles Kao mengembangkan kabel fiber optik yang dapat mentransmisikan sinyal dengan kecepatan 1 Ghz atau 1.000 juta bit per-detik. Tapi karena faktor atenuasi atau peredaman yang cukup besar yakni 1000 db/km sehingga praktis belum dapat digunakan untuk kepentingan transmisi komunikasi.

Namun demikian atas penemuannya di bidang kabel fiber optik dia bersama Willard Boyle dan George Smith mendapatkan hadiah nobel tahun 2009 karena atas dasar penemuannya berkembang teknologi kabel fiber optik dan kemudian dia juga menerima gelar kebangsawanan Sir dari kerajaan Inggris.

Terobosan berikutnya dalam teknologi kabel fiber optik dilakukan oleh pabrikan industri gelas ternama yaitu Corning yang berhasil membuat kabel FO yang pertamakalinya secara feasible dapat digunakan untuk kepentingan komunikasi data.

Mereka berhasil membuat kabel FO dengan atenuasi yang rendah 17 dB/km dengan teknologi kabel FO yang dibuat dari silica glass yang di doping dengan menggunakan atom titanium dan penggunaan cladding yang terbuat dari pure silica glass.

Hingga saat ini Corning menjadi pabrikan kabel FO terkemuka di dunia karena inovasi teknologinya. Ada banyak jenis merk kabel fiber optik di seluruh dunia namun sebagian besar khusus untuk material core & cladding-nya masih menggunakan buatan Corning. Mereka hanya membungkusnya dengan buffer, support, jacket, dsb serta melabelinya dengan merknya sendiri. Tidak banyak perusahaan yang mampu membuat material core & cladding sendiri seperti Corning.

Implementasi Kabel Fiber Optik Secara Massal

Pada tahun 1988 AT&T berhasil melaksanakan penarikan kabel FO Trans Atlantic untuk kepentingan penyambungan komunikasi telepon antara benua Amerika dan benua Eropa. Total panjang kabel fiber optik yang ditarik mencapai 3148 mil dengan pemasangan repeater di setiap jarak 40 km.

Volume bandwidth yang dapat dihantarkan adalah sebesar 565 Mbps. Mungkin tidak besar dibandingkan kemampuan kabel fiber optik saat ini. Namun pada saat itu, bandwidth sebesar 565 Mbps sudah sangat besar sekali. Sinyal cahaya yang digunakan dalam transmisi adalah sinyal cahaya terpolarisasi dengan panjang gelombang 1300 nanometer. Sedangkan kabel FO yang digunakan memiliki atenuasi atau loss of light sebesar 0,4 dB per-km.

Pada tahun 80-an kabel FO sudah menghubungkan kota-kota besar di pantai timur dan barat Amerika Serikat. Bahkan sudah menggantikan penggunaan kabel tembaga, microwave, dan link satelit sebagai backbone telekomunikasi. Pada tahun 90-an jaringan TV kabel sudah menggunakan kabel FO dan menemukan bahwa mereka bisa memanfaatkan telephony dan internet sekaligus di jaringan kabel FO.

Secara umum semenjak tahun 90-an keatas penggunaan kabel FO telah meluas di manfaatkan dalam industri telekomunikasi. Karena sifatnya yang noise free dari gangguan sinyal elektromagnetik serta kapasitas bandwidht throughput-nya yang sangat besar maka kabel fiber optik banyak digunakan di data center sebagai media cabling antar perangkat jaringan dan server farm.***

Link terkait:

• Portofolio Jasa Konsultasi dan Audit Teknologi Informasi
• Jasa Konsultan Enterprise Architecture
• Jasa Konsultan Tata Kelola TI
• Jasa Konsultan Tata Kelola Data
• Jasa Konsultan IT Governance
• Jasa Konsultan Sistem Manajemen Keamanan Informasi
• Jasa Konsultan Sistem Manajemen Layanan TI
• Jasa Konsultan IT Service Management
• Jasa Konsultan Transformasi Digital
• Jasa Konsultan RSTI
• Jasa Konsultasi IT Master Plan
• Jasa Asesmen IT Maturity Level
• Jasa Konsultan Solusi ERP
• Jasa Konsultan Integrated Management System
• Jasa Konsultan Pelindungan Data Pribadi