Aplikasi Sistem Optik Grin Dalam Piranti Elekfro-Optik john
.
E. Batubara *)
Rapid progresc in fabrication of gradient-index (GRI$ optical system openE a wide poesible application of microlenees in electro-optic devices, communications eystems, and ottrerfields of applied optice. Those
microlenses, namely rod and planar in ehape are used ae focusing and
collimating elemente in varioue optical circuite. A etudy on the application of GRIN microlenses implemmted in laee!-fiber coupler, micro-optical branching circuit and optical switching ie preeented in this paper. The measurement results of insertion loss and crosetalk ehow that the feasibility of GRIN microlenses can be utilized as potential elements in electro-optical devices.
1.
PENDAHULUAN
Sejak serat optik digunakan secara praktis sebagai medium untuk transmisi sinyal optiktrl, kegiatan penelitian dan pengembangan sistem optik dengan variasi index bias semakin luas. Sistem yang menggunakan berbagai elemen optik dengan index bias yang tergradasi ini telah berkembang menjadi salah satu sistem optik yang dinamakan sistem optik GRIN @railient indcx optical systan). Gagasan membentuk elemen optik dengan distribusi index bias mengilhami berbagai usaha untuk membentuk lensa yang sangat kedlt2l. Dengan gagasan ini sifat pembiasan cahaya bukan dihasilkan oleh bentuk lensa yang hemisferik melainkan dari profil index bias di dalam elemen optik. Lensa mikro yang terbuat dari bahan gelas atau plastik yang mula-mula dikembangkan dan sekarang sudah digunakan secara luas dalam berbagai piranti elektro-optik (EO) adalah
lensa mikro batang GRIN (gradimt-inilex roil lots) Isl, dan lensa mikro silindris lal atau dikenal dengan nama lensa Selfoc@ (self-focusing lens). Dewasa ini pengembanganpiranti optik cenderung ke arahoptika pipihatauplanar optics, yang diharapkan dapat mendukung perkembangan rangkaian optik terpadu (integrated
optics),seperti pandu gelombang piprh(planar waoeguiile)
tsl
dan lensa mikro planar Qtlanar
microlens) lst.
*)
Dosen tetap pada ]urusan Teknik Elektro, FTI-UPH
voL. I NO.g
NOVEMBER'|998
59
Lensa mikro yang berbentuk silindris dan planar telah ditelaah serta dikaii pemanfaatannya untuk piranti optik. Perancangan dan fabrikasi bermacam-macam piranti dengan lensa-lensa mikro GRIN telah dilaporkan dalam banyak jurnal, antara lain Penggunaan lensa mikro GRIN dalam penggandeng laser-serat (laser-ftber coupling), rangkaian percabangan mikrooptik (mitooptical branching circilif) I6i dan sakl ar opbk (optical su)itch)
2.
17tst.
TENSA MIKRO DENGAN SISTEM OPTIK GRIN
2.1 Lensa Mikro Silindris
knsa mikro silindris GRIN mempunyai index bias yang bervariasi meiurut profil tertentu,baikvariasidalamdua dimensi mapundalamtigadimensi. Lensa mikrosilindris memPunyai profil index bias n yang berubah secara kuadratis menurut arah radial r, yang pada umumnya dinyatakan menurut persamaan t21 n2(r) = n2(0) [1- G
r)']
(1)
dengan n2(0) adalah nilai index bias pada sumbu optik lensa mikro dur, parameter pemfokusan lensa mikro
g adalah
suatu
Dengan index bias parabolik seperti pemyataan (1), suatu berkas cahaya datang yang memenuhi syarat pemanduan oleh lensa akan dipandu sepanjang lensa mengikuti jejak yang berbentuk sinusoidal. Untuk panjang lensa tertentu, berkas cahaya terpandu dapat diatur sehingga terfokus atau terkolimasi pada uiung keluaran lensa. Hubungan paniang lensa Ln dengan parameter pemfokusan g mengikuti hubungan
Lr=21ll9 sehingga panjang lensa untuk berbagai kelipatan lensa mikro yang diingrnkan di dalam rangkaian.
e)
Lnl[
dapat dirancang untuk fungsi
2.2 Lensa Mikro Planar Seperti halnya lensa mikro silindris, lensa mikro planar mempunyai index bias yang terdistribusi secara kuadratis. Unfuk lensa mikro planar, perubahan atau variasi index bias terjadi menurut arah radial dan arah axial t2l, yang secara sederhana dinyatakan oleh
persflmn4
IzFl
nz(r,zl = n2(O0) [1- R(d
60
voL. I NO.g
NOTEMBER 1998
-Zlzll
(3)
Dalam persamaan (3) ini, R(r) dan Z(z) masing-masing adalah fungsi yang menyatakan perubahan index bias secara kuadratis menurut arah radial r dan arah axral z. Dengan profil index bias seperti dinyatakan oleh persamaan (3), sebuah lensa mikro dapat dibuat dalam bentuk pipitu karena cahaya akan membias ke arah index bias yang semakin besar; artinya cahaya akan membelok ke arah sumbu optik lensa sama seperti pada lensa konvensional ya.g index biasnya homogen. Lensa mikro planar mempunyai keuntungan lain dibandingkan dengan lensa mikro silindris. Denganbentuknya yang piprh, pelurusan (alignmmt)berkas cahaya untuk lensa o plinar mudah pula disusun dalambentuk tanilem menjadi lebih mudah danlensa dengan elemen-elemen optik lain. Dalam pengembangan optik planar, lensa mikro yang pipih lebih mudah direkayasa, karena bidang fokusnya di luar substrat dapat diahr dengan memilih tebal atau panjang lensa yang sesuai.
*it
3.
LENSA MIKRO DALAM PIRANTI ELEICRO-OPTIK
3.1 Penggandeng Laser-Fiber Dalam berbagai piranti elektro-optik, sumber optik yang digunakan adalah laser semikonduktor seperti LD (laser diode) atau LED Qight emitting diod.e). Sumber-sumber optik ini memancarkan cahaya dalam berkas divergen, sehingga tidak dapat sepenuhnya diterima oleh serat optik atau dikopling ke serat optik. Oleh karena itu diperlukan suatu
penggandeng atau kopler yang mengumpulkan berkas divergen tersebut dan mengkopelnya ke serat optik sesuai dengan nilai celah numerik dari serat optik yang menerima. Fungsi penggandeng ini dapat diperankan oleh sebuah lensa mikro, khususnya lensa mikro silindris. Sesuai dengandimensi geometriklensa mikro,posisi lensamikro di antara sumber laser dan serat optik diatur sedemikian rupa sehingga daya cahaya yang dipancarkan oleh sumber laser dapat diterima secara optimal oleh serat. Susunan penggandeng laser-fiber dengan lensa mikro silindris sebagai elemen pengkopling diperlihatkan pada Gambar 1. Dengan parameter lensa, diameter = 1,8 mm; panjang lensa = 4,8 cm dan g = 0,35 cm-l, untuk LD tipe LI021MD dan serat optik moda jamak dengan diameter inti/kelopak sebesar 50 mm/125 mm, diperoleh efisiensi kopling sebesar 70 %.
Gambarl Penggandengan laser-fiber dengan lensa mikro eilindris
VOL.
I NO.9
NOVEMBER 1998
61
3.2 Rangkaian Percabangan Mikrooptik Penggunaan lain dari lensa mikro GRIN dalam piranti elektro-optik adalah untuk rangkaian percabangan. Suafu berkas cahaya yang membawa sinyal atau informasi dalam rangkaian percabangan dipecah ke dua saluran yang saling tegaklurus. Pemecahan berkas dilakukan dengan menggunakan sebuah setengah-cermin (half mirror) atau dengan prisma. Unfuk memecah berkas cahaya serat optik utama ke serat optik cabang, berkas divergen yang datang ke pemecah berkas harus dikolimasi dan berkas yang terpecah akan keluar dari rangkaian pemecah dalam berkas terkolimasi pula. Untuk memasukkan kedua berkas pecahan yang terkolimasi ini, masing-masing berkas harus difokuskan ke serat optik cabang. BEAMSPIIIER INCOMING
FIBER I-I t________-_t I
I
I
cotrli ROD
AT|NG
FOCUSING
i,ltcRol.ENs
ROD MICROLENSES
OUTGOING FIBER 2
Gambar2 Skema rangkaian percabangan mikrooptik dengan lensa mikro GRIN
Pengkolimasian berkas sebelum dipecah oleh setengah cermin atau prisma dan pemfokusan berkas yang terpecah oleh setengah cermin atau prisma dapat dicapai dengan menggunakan lensa mikro, dalam hal ini lensa mikro GRIN. Sampel rangkaian percabangan yang difabrikasi dalam penelitian ini menggunakan lensa mikro silindris. Skema dari rangkaian diperlihatkan pada Gambar 2. Lensa mikro silindris mempunyai diameter penampang 1,8 mm; panjang lens a 4,60 cm dan konstanta pemfokusan g = 0,35 cm{. Hasil
pengukuranmenunjukkanhasilrugisisipanhanyaseb*ar2|dB, Dayaoptikpadamasingmasing saluran cabang yang saling tegaklurus adalah 30% dari daya masukan rangkaian.
3.3 Arai Percabangan Mikrooptik Dalam pengembangan lensa mikro GRIN untuk piranti elektro-optik ,yffigtersusun dalam dua dimensi (arai) telah dikonstruksi rangkaian percabangan dengan menggunakan 62
voL. I NO.I
NOIEMBER 1998
lensa mikro planar. Arai lensa mikro planar GRIN dalam dua dimensi yang digunakan dalam penelitian ini berupa substrat planaryang berisi skuktur (2x2) lensa mikro. Dengan substrat yang terdiri dari arai (2x2) lensa mikro GRIN, rangkaian percabangan mikrooptik akan mempunyai struktur percabangan (4x8); sinyal optik yang datang dalam (2x2) saluran
dipecah dalam dua arah yang saling tegaklurus masing-masing dengan (2r2) saluran keluaran. Rangkaian arai percabangan mikrooptik dalam susunan dua-dimensi merupakan salah satu piranti optika terpadu yang dimanfaatkan dalam transmisi paralel. Dalam penelitian ini, transmisi paralel telah dilakukan dengan dua sinyal optik pada panjang gelombang yang berbeda. Masing-masing sinyal optik dikfuimkan melalui satu saluran transmisi, danmasing-masingsinyal dipecah ke dua cabang saluranmelaluipemecah berkas.
G0urrfiilE
rEi0flsm[N
CUETEIIIISPI1IIEB
Gambar3 Rangkaian percabangan mikrooptik (micto optical brunching citcuit) dengan lmsa mikro planar.
Rangkaian arai percabangan mikrooptik yang difabrikasi mempunyai skema seperti pada Gambar 3. Substrat gelap planar dengan tebal7,87 mm yang digunakan mempunyai susunan atau arai lensa mikro yang masing-masing mempunyai diameter Q9 mm; kedalaman lensa 0l mm dan index bias n(0p1 = 1,66. Laser dioda sebagai sumber optik mempunyai panjang gelombang 0,78 mm dan O85 mm, sedangkan pemecah berkas berbentuk kubus dengan sisi sebesar 1,0 cm.
vol I NO.9
NOIEMBER 1998
Keandalan rangkaian percabangan yang dikonstruksi diuji dari besamya cakap silang (crosstalk) akibat persilangan sinyal optik yang melintasi prisma pemecah berkas. Hasil pengukuranmemperlihatkan cakap silang yang terjadi sangatkecil yaitu lebih kecil dari 46 dB, Nilai ini menunjukkanbahwa kualitas sinyal optikyang dipecah dalam rangkaian percabangan ini tidak saling mengganggu.
Segi lain yang diukur dalam penelitian adalah daya optik yang hilang dalam penggandengan elemen-elemen optik, yaitu dari serat optik ke lensa mikro pengkolimasi, dari lensa mikro ke prisma, dari prisma ke lensa mikro pemfokus, dan selanjutnya dari lensa mikro pemfokus ke serat optik cabang. Pengukuran menunjukkan nilai efisiensi penggandengan(coupling efuicncy) sebesar 36%yangmasih cukup bermakna dan dapat diperbaikidenganmenyempumakanpelurusandarielemenelemenoptikyangdigunakan
3.4 Saklar Optik Dengan Prisma Bergeser Efektivitas lensa mikro sebagai elemen pengkolimasi berkas cahaya yang keluar dari serat optik utama dan pemfokus berkas cahaya yang masuk ke serat optik cabang telah pula dimanfaatkan dalam konstruksi saklar optik.Pada prinsipnya konstruksi saklaroptikiniadalahdengancarapenggeseranprismauntukmemindahkanberkas cahaya dari satu saluran ke saluran yang lain. Untuk itu diperlukan berkas cahaya terkolimasi yang datang ke prisma.
Konfigurasi piranti saklar optik yang dikonstruksi adalah seperti terlihat pada Gambar 4. Berkas cahaya pembawa sinyal datang melalui saluran 1, kemudian dengan saklar dapat diteruskan ke saluran 2 atau saluran 3. Pemindahan saluran terjadi oleh aksi pemantulan berkas cahaya oleh prisma dengan menggeserkan prisma ke posisi saluran yang dikehendaki. Saklar optis yang dikonstruksi dalam penelitian ini masih sangat sederhana, karena hanya dapat memindahkan sinyal ke dua saluran saja. Jika lensa mikro planar dapat dirancang dalam suafu susunan sirkular dengan sejumlah lensa, dan mekanismeprisma
dapat diatur menurut gerakan rotasional, saklar optis dengan teknik ini dapat memindahkan sinyal ke sejumlah saluran cabang.
voL. I NO.9
NOIEMBER 1998
FTANAR II'IICROIENS ARRAY
CHAHNEI,
.2
-.1; -f>r
tl
cltAhrNE[ 3
SL|'DING PRBin
Gambar4 Diagram saklar optik dengan prisma bergeser
Prisma penggeser saluran yang digunakan adalah prisrna sama-sisi dengan sisi 3,0 mm ; tebal ?0 mm dan index bias n = 1,55, sedangkan lensa mikro planar yang digunakan adalah sampel yangsama sepertiuntukpiranti dalam seksi 3.3. Pengukuran memberikan hasil efisiensi kopling seb esar 24Yo, sedangkan cakap silang dapat diabaikan karena hanya terukur sebesar -64 dB. Efisiensi kopling masih dapat ditingkatkan dengan memperbaiki ketelitian pelurusan dan mempersempit celah udara antara elemen-elemen optik.
4.
KESIMPULAN
Sistem optik GRIN yang diterapkan dalam fabrikasi lensa mikro, baik yang berbentuk silindris maupun yang berbentuk planar telah digunakan sebagai elemen pemfokus dan
pengkolimasi dalam beberapa piranti etektro-optik. Hasil konstruksi beberapa model experimental dalam penelitian ini memberikan prospek.untuk pemanfaatan sistem optik GRIN dalam piranti elektro-optik. Performansi dari piranti-piranti elektro-optik dengan basis sistem optik GRIN merupakan rintisan dalam pengembangan teknologi optika terpadu.
voL. I NO.9
NOVEMBER 1998
Referensi
(1).
Y. Suematsu
dan
K
lga; Introduction to optical fiber comsrunications, tohn Wiley &
Sons,
New
Yorlq 1982.
(2). K Iga, Y. Kokuburu dan M. Oikawa; Fundamentale of Microopticg, Academic
Press, Nerv York,
tgu. (3). WJ. Tomlinson; Applicatione of GRIN-rod lenses in optical fiber communication
eyrrteurs,
Appl.
Opt. 19, no. 7, April1980, hal. 1127-7138.
(a). Iohn E. Batubara; Study on the characterization of microoptic componenb, Disertasi doktor, Universitas Indonesi4 1987.
(5). M. Oikawa, Study on diokibuted-index planar microlens and ite applicatione to gtacked planar optics, Dr.Eng. dissertation, Tokyo Institute of Technology, Yokohama, 19&4.
(6). Ignasius Iryanto and fohn E. Batubara; Array of microopticel branching circuit uoing planar microleneee, Ibdr. Digest of MOC'91, paper K3, Yokohama, tapan, October 1991.
(4. .
A. Iuliate Junde; Sliding priem optical ewitch ueing planar microlenr array, M.S. thesis, Universitas
Indonesia,lakafia,l992.
(8). A. Iuliati Iunde dan |ohn E. Batubara; Optical switch dengan menggunakan lensa mikro planer, Prosiding Seminar Nasional Optoelekhoteknika dan Aplikasi [.aser, ]akarta, &ptenber 19%, hal. r[&50.
66
\roL.
I No.g
NovE
/IBER
1998
