Apa Itu Kabel optik singlemode dan multimode

Perbedaan antara kabel serat optik mode tunggal dan multimode masih membingungkan. Artikel ini akan berfokus pada konstruksi dasar, jarak serat, biaya, warna serat, dll., untuk membuat perbandingan mendalam antara jenis serat mode tunggal dan multimode.

Pertama, mari kita definisikan konsep “mode kabel”. Tidak ada istilah seperti itu! Setiap kabel serat optik (FOC) mengandung apa yang disebut modul dalam desainnya - tabung plastik yang melindungi serat optik. Mereka benar-benar hadir dalam berbagai warna dan, tergantung pada jumlahnya, FOC dapat dibagi menjadi modul tunggal dan multi-modul. Jika kita berbicara tentang kabel mode tunggal (Single-mode, SM) dan multi-mode (Multi-mode, MM), diasumsikan bahwa kabel tersebut terbuat dari jenis serat optik (OF) yang sesuai.

Modus adalah komponen dasar yaitu berkas tunggal yang membentuk cahaya yang merambat sepanjang serat. Dari sudut pandang fisika teoretis, setiap mode merupakan salah satu solusi persamaan gelombang Maxwell yang menggambarkan perambatan cahaya dalam serat. Secara konvensional, setiap mode direpresentasikan sebagai sekumpulan garis lurus yang membentuk kerucut. Dalam diagram biasanya dalam penampang melintang, mode digambarkan sebagai sinar terpisah yang merambat dalam serat pada sudut terhadap sumbu optik. Dalam hal ini, berkas yang secara geometri berimpit dengan sumbu serat disebut modus pertama atau modus utama, dan modus lainnya disebut modus samping.

Tergantung pada diameter inti serat optik dan indeks bias inti serta bahan pelapis, hanya satu atau beberapa mode radiasi yang akan merambat dalam serat optik. Pada Gambar di bawah ini dengan jelas menunjukkan bahwa hanya satu mode yang dapat dimasukkan ke dalam serat dengan diameter inti kecil, sedangkan diameter yang lebih besar memungkinkan beberapa mode untuk dimasukkan.

Diameter inti serat mode tunggal jauh lebih kecil daripada serat multimode. Diameter inti tipikalnya adalah 9 µm meskipun ada juga ukuran lainnya. Dan diameter inti serat multimode biasanya adalah 50 µm dan 62,5 µm, yang memungkinkannya memiliki kemampuan "pengumpulan cahaya" yang lebih tinggi dan menyederhanakan koneksi. Diameter kelongsong serat mode tunggal dan multimode adalah 125 µm.

Untuk serat SM, profil indeks bias bertahap cukup dapat diterima, karena hanya satu mode yang merambat di dalamnya. Namun pada serat MM dengan indikator langkah, kondisi transmisi sinyal sangat memburuk karena munculnya dispersi. Dispersi, yaitu distorsi bentuk pulsa cahaya yang disebabkan oleh perbedaan jalur rambat masing-masing mode, disebut intermode. Jenis dispersi ini menjadi perbedaan utama sifat optik antara SM dan MM.

Saat ini, telah dimungkinkan untuk menekan sebagian dispersi intermode dengan membuat serat dengan apa yang disebut profil bias inti gradien. Dalam hal ini, kerapatan optik kaca kuarsa tempat inti dibuat secara bertahap menurun dari pusat/tengah ke batas. Hal ini memungkinkan untuk mengoreksi garis perambatan mode samping dan mengurangi distorsi sinyal. Perbedaan antara sinyal pada input dan output serat untuk berbagai opsi pembuatan ditunjukkan dengan jelas pada gambar berikut.

2. Serat multimode (multimode fiber)

Karena pengaruh dispersi intermode, serat MM memiliki keterbatasan dalam hal kecepatan sinyal dan jangkauan propagasi dibandingkan dengan serat SM. Panjang jalur komunikasi multimode juga dibatasi oleh redaman tinggi dibandingkan dengan serat mode tunggal. Pada saat yang sama, persyaratan untuk divergensi sumber sinyal, serta keakuratan penyelarasan komponen peralatan, berkurang secara signifikan karena diameternya yang besar. Akibatnya, peralatan untuk serat multimode jauh lebih murah daripada serat mode tunggal (meskipun serat multimode sendiri agak lebih mahal).

Seperti disebutkan sebelumnya, serat multimode yang paling banyak digunakan adalah 50/125 dan 62,5/125 μm. Serat MM komersial pertama, yang produksinya dimulai pada tahun 1970-an, memiliki diameter inti 50 μm dan profil indeks bias bertahap. Pada saat itu, satu-satunya sumber radiasi adalah LED. Peningkatan lalu lintas yang ditransmisikan menyebabkan munculnya serat dengan inti 62,5 μm. Diameter yang lebih besar memungkinkan penggunaan radiasi LED yang lebih efisien, yang ditandai dengan divergensi fluks cahaya yang besar. Namun, hal ini meningkatkan jumlah mode yang disebarkan, yang berdampak negatif pada karakteristik transmisi. 

Oleh karena itu, ketika laser sinar sempit mulai digunakan sebagai pengganti LED, serat 50/125 µm kembali populer. Sebagai hasil dari peningkatan teknologi produksi, serat dikembangkan "dioptimalkan untuk bekerja dengan laser." Pertumbuhan lebih lanjut dalam kecepatan dan jangkauan transmisi informasi difasilitasi oleh munculnya serat dengan profil indeks bias gradien. Saat ini, ada klasifikasi serat kuarsa multimode, yang dijelaskan secara rinci dalam berbagai standar. Misalnya, standar ISO/IEC 11801 mendefinisikan 4 kategori serat multimode. Mereka diberi label dengan huruf Latin OM (Optical Multimode) dan angka yang menunjukkan kelas serat.

• OM1 – serat multimode standar 62,5/125 µm.
• OM2 – serat multimode standar 50/125 µm.
• OM3 – serat multimode 50/125 µm yang dioptimalkan untuk pengoperasian laser.
• OM4 adalah serat multimode 50/125 µm yang dioptimalkan untuk pengoperasian laser dengan peningkatan kinerja.

Parameter utama yang bergantung pada dispersi dan menentukan kemampuan serat untuk mendukung perambatan sinyal pada jarak tertentu adalah faktor lebar pita. Untuk setiap kelas, standar menentukan nilai redaman dan faktor lebar pita. Data disajikan dalam Tabel di bawah ini, di mana parameter OFL (overfilled launch) menjelaskan metode untuk menentukan lebar pita, yaitu, menggunakan LED.

untuk menentukan bandwidth, yaitu menggunakan LED.

Tabel 1. Perbandingan karakteristik serat MM dari berbagai kelas.

Pada bulan Juni 2016, Asosiasi Industri Telekomunikasi (TIA) menerbitkan standar yang menjelaskan kelas baru serat optik MM – OM5 (TIA-492AAAE). Serat optik yang diproduksi menurut standar ini akan memungkinkan penggunaan teknologi SWDM (Short-wavelength division multiplexing) dengan empat panjang gelombang yang berbeda. Yang pada gilirannya akan memungkinkan peningkatan kecepatan transfer data hingga 4 kali lipat sambil mempertahankan atau bahkan sedikit meningkatkan panjang saluran maksimum.

3. Serat mode tunggal (Single mode fiber)

Pada serat mode tunggal tidak ada dispersi intermode, yaitu distorsi sinyal dari waktu ke waktu karena perbedaan kecepatan perambatan mode. Oleh karena itu, serat mode tunggal dicirikan oleh lebar pita yang sangat besar (ratusan THz*km). Serat SM standar memiliki, seperti yang disebutkan sebelumnya, profil indeks bias bertahap.

Nilai redaman pada serat SM beberapa kali lebih kecil daripada pada MM, yang memungkinkan informasi ditransmisikan melalui jarak yang sangat jauh (500 km atau lebih) dengan kecepatan tinggi tanpa transmisi ulang (pengulangan) sinyal, sedangkan karakteristik transmisi ditentukan terutama oleh parameter peralatan aktif.

Di sisi lain, serat mode tunggal membutuhkan presisi tinggi saat memasukkan radiasi dan saat menyambungkan serat optik satu sama lain, yang menjadi alasan meningkatnya biaya komponen serat optik yang digunakan (peralatan aktif, produk penghubung) dan mempersulit proses pemasangan dan pemeliharaan saluran.

Serat SM pertama muncul pada awal tahun 80-an dan mulai digunakan secara aktif dalam saluran komunikasi yang panjang. Pada saat yang sama, serat MM terus digunakan untuk transmisi jarak pendek, misalnya, dalam jaringan lokal. Seiring berjalannya waktu, karena pengurangan biaya serat itu sendiri dan komponen-komponennya, serat mode tunggal mulai mendapatkan popularitas yang meningkat dalam jaringan jarak pendek. Dengan demikian, saat ini serat SM kuarsa adalah jenis serat optik yang paling umum.

Seiring dengan peningkatan teknologi manufaktur, standar yang menjelaskan persyaratan untuk serat optik dibuat dan diubah. Tidak seperti serat MM, yang saat ini dijelaskan oleh standar ISO/IEC 11801, standar yang paling umum dan banyak digunakan untuk serat SM adalah ITU-T G.652-657.

a. Serat mode tunggal dengan dispersi tak bergeser, G.652 (SSMF – Serat Mode Tunggal Standar)

Jenis serat mode tunggal yang paling umum dengan titik dispersi kromatik nol pada panjang gelombang 1300 nm. Standar tersebut membedakan empat subkelas (A, B, C, dan D), yang berbeda dalam karakteristiknya. Yang perlu diperhatikan secara khusus adalah serat G.652.C dan G.652.D - serat tersebut memiliki redaman rendah pada panjang gelombang 1383 nm, yaitu, di wilayah "puncak air", dan oleh karena itu dapat digunakan dalam sistem CWDM. Serat semacam itu juga disebut "semua gelombang".

b. Serat pergeseran dispersi nol mode tunggal, G.653 (ZDSF – Serat Pergeseran Dispersi Nol)

Dengan mengubah profil indeks bias, titik dispersi nol dapat digeser ke jendela transparansi ketiga (1550 nm), yang memungkinkan peningkatan jangkauan transmisi sinyal saat bekerja dalam rentang ini. Mereka hanya digunakan di luar negeri dan hanya dalam jalur yang beroperasi tanpa menggunakan multiplexing spektral.

c. Serat mode tunggal dengan panjang gelombang batas yang digeser, G.654

Serat yang meminimalkan kerugian pada panjang gelombang 1550 nm merupakan modifikasi serat SSF dengan kerugian yang dikurangi (kurang dari 0,18 dB/km) pada jendela transparansi ketiga. Redaman rendah dicapai dengan menggunakan kuarsa dengan kemurnian sangat tinggi untuk inti, yang mengurangi redaman yang disebabkan oleh penyerapan oleh pengotor, serta dengan membentuk panjang gelombang batas yang besar untuk mengurangi kepekaan terhadap kerugian yang disebabkan oleh pembengkokan serat. 

Serat optik tersebut dapat digunakan untuk mengirimkan informasi digital dalam jarak jauh, misalnya, dalam sistem komunikasi jarak jauh terestrial dan kabel bawah laut utama dengan penguat optik. Karena sulitnya produksi, serat ini sangat mahal.

d. Serat mode tunggal dengan serat pergeseran dispersi bukan nol, G.655 (NZDSF – Serat Pergeseran Dispersi Bukan Nol)

Dirancang untuk transmisi pada panjang gelombang mendekati 1550 nm dan dioptimalkan untuk sistem DWDM. Nilai absolut koefisien dispersi kromatik dalam serat ini lebih besar dari nilai bukan nol tertentu dalam rentang panjang gelombang dari 1530 nm hingga 1565 nm. Dispersi bukan nol mencegah terjadinya efek nonlinier, yang sangat berbahaya bagi sistem DWDM.

e. Serat optik non-zero dispersi-shifted mode tunggal untuk transmisi pita lebar, G.656

Seperti serat G.655, serat ini memiliki koefisien dispersi kromatik yang tidak nol, tetapi dalam rentang panjang gelombang 1460-1625 nm, sehingga sangat cocok untuk sistem DWDM dan CWDM.

f. Serat mode tunggal, tidak sensitif terhadap kerugian pembengkokan makro, G.657 (Tidak Sensitif terhadap Pembengkokan)

Selain sifat optik, karakteristik mekanis serat optik, khususnya kepekaannya terhadap pembengkokan, juga memainkan peran penting. Hal ini terutama penting saat memasang di dalam ruangan, di mana serat sering kali perlu dibengkokkan. Standar G.657 mengidentifikasi beberapa subkelas serat mode tunggal, yang berbeda dalam radius pembengkokan minimum dan nilai kerugian yang sesuai.

Standar serat optik yang dijelaskan tidak selalu saling eksklusif. Misalnya, serat optik Corning SMF-28® Ultra yang populer mematuhi standar G.652.D dan G.657.A1. Pada saat yang sama, ada beberapa kasus ketika serat optik dari berbagai jenis tidak kompatibel satu sama lain.

4. Aplikasi kabel berbasis serat Single Mode dan Multi Mode

Saat ini, praktik pemilihan kabel fiber optik tergantung pada area aplikasi.

Serat mode tunggal digunakan untuk:

• di jalur komunikasi kabel laut dan lintas samudra.
• di jalur utama terestrial komunikasi jarak jauh.
• di jalur regional, jalur komunikasi antar simpul kota, di saluran optik jarak jauh khusus, di jalan raya menuju peralatan operator seluler.
• di sistem televisi kabel.
• di sistem GPON dengan pengiriman serat ke pengguna akhir.
• di SCS, ketika garis mencapai panjang 550 m atau lebih (misalnya, antar gedung).
• di SCS yang melayani pusat data, terlepas dari jaraknya.

Serat multi mode digunakan untuk:

• di SCS, di jalan raya yang membentang di dalam gedung (biasanya hingga 300 m panjangnya) dan di jalan raya antar gedung jika jaraknya tidak melebihi 550 m.
• di segmen horizontal SCS dan di sistem FTTD (fiber-to-the-desk), tempat stasiun kerja pengguna dengan kartu jaringan optik multimode dipasang; di pusat data, selain serat mode tunggal.
• dalam semua kasus di mana jarak memungkinkan penggunaan kabel multimode. Kriteria utama untuk memilih adalah bahwa kabel lebih mahal, tetapi penghematan pada peralatan aktif akan menutupi biaya ini.

5. Contoh produk kabel

Meskipun memiliki sifat optik yang berbeda, serat SM dan MM sama sekali tidak dapat dibedakan dari segi tampilan. Bahkan diameter selubungnya sama - 125 mikron untuk semua jenis. Produsen kabel serat optik tidak peduli serat mana yang digunakan dalam merek kabel tertentu. Atas permintaan pelanggan, kabel dapat diproduksi menggunakan jenis serat apa pun. Namun, kabel multimode terutama ditujukan untuk jaringan lokal, sebagai contoh - kabel pabrik Incab dari seri "distribusi", yang digunakan untuk pemasangan di dalam lantai.

Desainnya meliputi serat optik dalam lapisan penyangga, lapisan benang aramid penguat, dan selubung luar yang harus tahan api. Selubung kabel harus memiliki tanda lengkap, misalnya, OBR-V-ng(A)-HF 12 G.651 OM2.

Pada saat yang sama, kabel mode tunggal dapat memiliki desain apa pun. Jenis serat yang digunakan juga harus ditunjukkan dalam tanda kabel pada selubungnya. Perlu diingat bahwa setiap produsen memiliki aturan penandaannya sendiri, dan paling sering jenis serat ditunjukkan dalam bentuk yang disingkat. Misalnya, pada kabel Incab LLC, huruf "U" digunakan dalam penandaan untuk menunjukkan serat Corning SMF-28®. Sebagai contoh, kita dapat mengambil kabel yang ditujukan untuk pemasangan di saluran kabel kota.

Kabel ini memiliki selubung luar berwarna hitam, lapisan pita bergelombang, dan kedap air. Penandaannya terlihat seperti ini, misalnya: DPL-P-24U(3x8) 2,7kN.

Selain kabel, material untuk konstruksi jalur komunikasi serat optik juga mencakup kabel optik (OC). Kabel optik dicirikan oleh fakta bahwa kabel tersebut pendek dan biasanya hanya berisi satu (simpleks) atau dua (dupleks) serat. Kabel tersebut, yang juga disebut kabel patch (dua konektor) atau pigtail (satu konektor), dapat berupa SM atau MM, dan jenis serat ditunjukkan pada selubung penyangga untuk identifikasi. Jika selubung penyangga memiliki diameter bukan 3 mm, tetapi 0,9 mm, dan akan sulit untuk melihat tulisan apa pun di atasnya, penandaan warna biasanya digunakan. Korespondensi warna antara berbagai jenis serat dijelaskan oleh standar ANSl/TIA/EIA-598-C, tetapi, sayangnya, di negara kita hal itu tidak tercermin dalam dokumen peraturan. Oleh karena itu, terkadang Anda dapat menemukan kabel optik dengan warna yang tidak standar, yang dapat menyebabkan kesulitan tertentu saat bekerja dengan kabel.

Namun, menurut standar, lapisan penyangga memiliki warna yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Kami berharap dapat menjelaskan secara cukup rinci tentang konsep kabel mode tunggal dan multimode, sifat dan perbedaannya. Kami juga berharap artikel ini akan membantu Anda lebih memahami apa yang harus diperhatikan saat bekerja dengan kabel serat optik. Produksi produk kabel terus meningkat, perkembangan dan standar baru muncul, dan kemampuan untuk menavigasinya adalah kunci keberhasilan desain dan konstruksi jalur komunikasi.