P ros idi ng Se m inar N as ional P e ne litian, P e ndi di k an dan P e n e rapa n M IP A , F ak ul tas M IP A , U ni v e rsitas N e ge ri Y ogy ak ar ta, 14 M e i 20 11
APLIKASI DIRECTIONAL COUPLER SERAT OPTIK MODE JAMAK SEBAGAI SENSOR GETARAN BERBASIS MODULASI INTENSITAS Edy Hariyanto1), Ari Santoso2) dan Agus Rubiyanto1) J ur us an F isik a. F M lP A . I ns titu t T e knol ogi S e pu luh N ope m be r, K am pus I T S S uk o lilo. Su ra bay a 601 11 Email:
[email protected],
[email protected] 2) J ur us an T ekn ik E lek tro ni ka . F TI . Ins ti tu t T e k n ol og i Se pul u h N ope m be r, Kam pus I T S S uk o lilo. Su ra bay a 601 11 1)
Intisari Telah dilakukan perancangan dan pembuatan sensor getaran menggunakan D ir e cti o n a l coup le r dari serat optik plastik (P la stic O p tic a l F ib e r, POF) mode jamak sebagai pandu gelombang dan pembagi berkas. Sensor getaran ini dibuat dengan metode yang sederhana berbasis modulasi intensitas cahaya. Eksperimen dilakukan menggunakan sumber laser diode 600nm dengan daya 1mW, detektor fotodioda, pencacah frekuensi, multimeter dan piezoelektrik sebagai sumber getaran uji. Hasil pengujian menunjukkan unjuk kerja sensor yang cukup baik, mampu mengukur getaran hingga orde kHz dengan resolusi 2 Hz dan e rro r rata-rata ±0,599 Hz. Kemampuan mendeteksi perubahan intensitas terukur dalam orde miliwatt menjadikan rancangan Sensor ini juga mempunyai sen sit iv it a s yang baik.
Kata kunci : sensor getaran, modulasi intensitas, di re ction al c oupl er, serat optik m ul tim ode .
I.
PENDAHULUAN Perkembangan serat optik yang pesat menyebabkan aplikasi serat optik saat ini tidak hanya dimanfaatkan sebagai media transmisi tetapi juga sebagai sensor. Serat optik dapat diaplikasikan sebagai sensor untuk pengukuran beragam parameter seperti pergeseran, suhu, tekanan, kelembaban, laju aliran fluida, laju rotasi, konsentrasi suatu zat, medan listrik, medan magnet, serta analisis kimia. Keunggulan serat optik sebagai suatu sensor antara lain adalah tidak kontak langsung dengan obyek pengukuran, tidak menggunakan listrik sebagai isyarat, akurasi pengukuran yang tinggi, relatif kebal terhadap induksi listrik maupun magnet, dapat dimonitor dari jarak jauh, dapat dihubungkan dengan sistem komunikasi data melalui perangkat antar muka (in terf a ce ) serta dimensi yang kecil dan ringan. Prinsip kerja dari serat optik sebagai sensor berbasis pada modulasi intensitas, modulasi panjang gelombang dan modulasi fase cahaya sebagai isyarat [5 ] [15]. Pemanfaatan serat optik sebagai sensor getaran telah banyak dilakukan dengan beragam teknik, terutama yang banyak dilakukan adalah dengan teknik interferometri memanfaatkan interferometer Michelson maupun fabry perot dengan akurasi yang tinggi tetapi sulit dilakukan. Kesulitan utama adalah penggunaan serat optik mode tunggal (singl em ode ) sebagai bagian utama fabrikasi sensor. Dalam penelitian ini, eksperimen di rectional c oupl er sebagai sensor getaran berbasis modulasi intensitas dilakukan dengan teknik yang sederhana, menggunakan di rectional c ou pl er serat optik plastik mode jamak (m u ltim od e) hasil fabrikasi sendiri dari bahan serat optik plastik (POF) st ep inde x m ul tim ode tipe FD-620-10. Analisis performansi di rectiona l c oup ler serat optik plastik m u lti m od e sebagai sensor getaran akibat pergeseran menggunakan pendekatan berkas Gaussian.[15]
F-1
Edy Hariyanto / Aplikasi D ire ctiona l C oup le r Analisis berkas Gaussian berkas sinar laser Laser mempunyai berkas keluaran berbentuk Gaussian, sehingga Analisis perubahan daya optik pada port sensing akibat pergeseran cermin dilakukan menggunakan pendekatan berkas Gaussian. Besarnya daya optik yang diterima oleh bidang lingkaran dengan jari-jari ρ a tegak lurus terhadap sumbu berkas Gaussian dinyatakan melalui Pers.(1) [10][15]
Gambar 2 Skema berkas cahaya pantulan dari cermin yang diterima cor e port sensing
(1) dengan P 0 dan W(z) masing-masing menyatakan daya optik total dan jari-jari berkas Gaussian. Sedangkan z menyatakan posisi bidang lingkaran penerima berkas terhadap sumber, dalam hal ini port sensing sebagai pengumpan berkas. Karena port sensing berperan sebagai pengumpan sekaligus bidang penerima berkas pantulan dari cermin, maka posisi pengumpan terhadap penerima berkas menjadi 2z. hubungan antara jari-jari berkas (W) terhadap pergeseran cermin (z), digunakan bantuan geometri dengan metode bayangan seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Melalui asumsi bahwa sinar paraxial yang merupakan bentuk berkas sesungguhnya berhimpit dengan selubung kerucut berkas pendekatan, maka dari geometri yang diperli hatkan pada Gambar 2, diperoleh hubungan seperti ditunjukkan Persamaan (2). (2) Subtitusi Persamaan (1) ke Persamaan (2),
(3) dengan
, d adalah diameter co re serat optik port sensing, sedangkan sudut θ
berkaitan dengan tingkap numeric serat optik dengan hubungan
F-2
.
P ros idi ng Se m inar N as ional P e ne litian, P e ndi di k an dan P e n e rapa n M IP A , F ak ul tas M IP A , U ni v e rsitas N e ge ri Y ogy ak ar ta, 14 M e i 20 11
II. METODOLOGI PENELITIAN A. Modulasi Intensitas Modulasi merupakan proses mengubah parameter suatu sinyal (sinyal pembawa atau car ri e r) dengan menggunakan sinyal yang lain (yaitu sinyal pemodulasi yang berupa sinyal informasi). Proses modulasi terjadi dengan melakukan variasi pada salah satu besaran karakteristik dari sinyal pembawa (yang berfrekuensi tinggi) seirama dengan sinyal data(yang berfrekuensi rendah). Modulasi Intensitas pada prinsipnya sama dengan modulasi amplitudo, dimana besarnya amplitudo sinyal pembawa akan diubah-ubah oleh sinyal pemodulasi sehingga besarnya sebanding dengan amplitudo sinyal pemodulasi tersebut. Frekuensi sinyal pembawa biasanya jauh lebih tinggi daripada frekuensi sinyal pemodulasi. Jika sinyal pemodulasi dinyatakan sebagai e = V sin ω t dan sinyal pembawanya dinyatakan m
m
m
sebagai e = V sin ω t , maka sinyal hasil modulasi disebut sinyal termodulasi atau e c
e
AM
c
c
AM
Adalah:
= V (1 + m sin ω t ) sin ω t c
m
c
= V sin ω t + m . V sin ω t . sin ω t c.
c
c.
c.
c
c
c
m
= V sin ω t + ½ m.V .cos(ω - ω ) t - ½ m.V .cos(ω + ω ) t c
m
c
c
m
(4)
Komponen pertama sinyal termodulasi AM (V sin ω t) disebut komponen pembawa dengan c
c
frekuensi sudut sebesar ω , komponen kedua ( yaitu ½ m.V .cos(ω - ω ) t ) dengan frekuensi c
c
c
m
sudut sebesar ω - ω disebut komponen bidang sisi bawah atau LSB dan komponen ketiga ( yaitu c
m
½ m.V .cos(ω + ω ) t ) dengan frekuensi sudut sebesar ω + ω , disebut komponen bidang sisi c
c
m
c
m
atas USB. B. Disain Directional Coupler sebagai Sensor Getaran Prinsip kerja di re ctional c oupl er sebagai sensor getaran berbasis modulasi intensitas adalah perubahan intensitas cahaya akibat perubahan posisi cermin yang memantulkan kembali cahaya yang masuk ke di re ctio nal c oupl e r melalui port sensing. Port sensing di rec tional c oupl er bertindak sebagai pengirim dan penerima berkas cahaya pantulan dari obyek yang berbentuk cermin datar. Pergeseran cermin (z) akan menyebabkan perubahan daya optik yang diterima oleh port sensing. Perubahan daya optik tersebut selanjutnya dideteksi melalui port deteksi ke fotodetektor. Susunan peralatan eksperimen di rectional c ou pl e r sebagai sensor getaran diperlihatkan pada Gambar 2 berikut ini.
Port deteksi
Port sensing
Gambar 2. Susunan peralatan eksperimen d irect io na l cou p ler sebagai sensor getaran Cermin uji diletakkan di depan port sensing dan digetarkan oleh pembangkit gelombang yang frekuensinya dapat diubah-ubah. Berkas pantulan cermin uji diteruskan ke port deteksi yang dapat F-3
Edy Hariyanto / Aplikasi D ire ctiona l C oup le r mendeteksi perubahan intensitas cahaya yang dihasilkan karena perubahan posisi cermin uji. Perubahan-perubahan intensitas cahaya yang dihasilkan cermin uji sebanding dengan besarnya frekuensi getaran yang mengendalikan cermin uji. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Dalam eksperimen ini, Di rectiona l c oup ler yang digunakan difabrikasi dari serat optik plastik (POF) Tipe FD-620-10 produksi Autronics, Korea dengan diameter co re 950 µm dengan nilai ratarata parameter CR = 0,319, C t = 2.55 dB, L inc =2,51 dB dan L e = 2,43 dB, menggunakan Laser diode sebagai sumber cahaya yang mempunyai panjang gelombang sekitar 600 nm (1 mW), detektor OSK 5586 untuk mendeteksi daya optik pada port deteksi, multimeter Instek GDM-451 dalam mode pencacah frekuensi. Cermin digetarkan menggunakan piezoelektrik yang dikendalikan oleh pembangkit gelombang. Pengujian sensor dilakukan dengan mencatat frekuensi terukur oleh pencacah frekuensi, ketika cermin uji digetarkan menggunakan pembangkit gelombang mulai dari frekuensi 0Hz, 1Hz, 2Hz dan seterusnya. Pengamatan dilakukan sampai frekuensi yang terukur tidak memberi respon hasil yang diharapkan. Hasil eksperimen ditunjukkan pada gambar 3 di bawah ini.
(a)
( b)
(c)
( d)
Gambar 3 Grafik frekuensi getaran terukur terhadap frekuensi sumber getaran (a) frekuensi sumber 0 – 19Hz, (b) frekuensi sumber 20 – 50 Hz, (c) frekuensi sumber 52 – 100 Hz, (d) frekuensi sumber 150 – 1900 Hz, Berdasarkan data hasil eksperimen, diketahui bahwa kemampuan alat sebagai sensor getaran, mempunyai daerah kerja yang baik pada 20 Hz hingga 1900Hz. Pada daerah tersebut sensor mampu mendeteksi frekuensi getaran dengan baik dengan error rata-rata 0.6Hz. Berdasarkan nilai error tersebut dapat disimpulkan bahwa sensor dapat bekerja baik dengan resolusi 2Hz. Sedangkan pada frekuensi di bawah 20 Hz, sensor tidak dapat mendeteksi dengan baik dengan error rata-rata 2,491Hz.
F-4
P ros idi ng Se m inar N as ional P e ne litian, P e ndi di k an dan P e n e rapa n M IP A , F ak ul tas M IP A , U ni v e rsitas N e ge ri Y ogy ak ar ta, 14 M e i 20 11
TABEL 1: Parameter d irec tiona l c oup ler sebagai sensor getaran Dayasumber Panjang gelombang sumber Resolusi alat Error Jangkauan
1 mW 630-680 nm 2 Hz ±0.6 Hz 20 Hz – 1800 Hz
IV. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah dijelaskan, maka dapat disimpulkan bahwa di re ctional c oup le r serat optik m ul tim ode dapat digunakan sebagai sensor getaran dengan berbasis modulasi intensitas dengan performansi yang cukup baik. Performansi sensor dapat ditingkatkan dengan menggunakan di re ction al c oupl er yang lebih baik yang los ses nya rendah dan sensitifitas serta waktu respon fotodetektor yang lebih tinggi. Sensor juga dapat dikembangkan menjadi sensor multi chanel dengan memanfaatkan port-port c ou pl er yang jumlahnya dibuat lebih banyak. Ucapan Terimakasih Terimakasih kepada P2M Ditjen Dikti Kemendiknas yang membiayai penelitian ini dalam program Penelitian Hibah Pasaca Sarjana nomor 121/D3/PL/2011.
DAFTAR PUSTAKA [ 1 ] Crisp, J. and Elliott, B., Int ro duc tion to F ib e r O p tic s, Linacre House, Jordan Hill, Oxford (2005) [ 2 ] G., Farrei., O pt ic a l C om m uni c a tio ns Sy ste m s O pt ic al F ibr e C oup le rs and Sw itche , Dublin Institute of Technology, Dublin (2002) [ 3 ] Hariharan, P., Basics of interferometry, Elsevier Inc., California (2007) [ 4 ] Iga , Kenuchi and Kokaqbun ,Yasuo , E n c y clope d ic handboo k of int e g ra te d opt ic s, Taylor & Francis Group, LLC, 35-36. (2006) [ 5 ] Krohn, D.A, F ibe r O pt ic Se ns or , F un dam e nt al and A pt ic at ion 3 rd , ISA. New York. (2000) [ 6 ] R. J., Hoss, O p toe le ctr o ni cs, Prentice Hall Inc. New Jersey (1993) [ 7 ] Rahayuningtijas, E. S., dkk, O pt ik a , Buku Ajar Jurusan Fisika ITS, Surabaya (2003) [ 8 ] Rubiyanto, Agus dan Rohedi, A.Y, O pt ika T e rpadu , Buku Ajar Jurusan Fisika ITS, Surabaya (2003) [ 9 ] Rubiyanto, Agus, dkk., A nal isis D irec tiona l C oupl er Se baga i P e m bag i D ay a unt uk M ode T E , Jurnal Fisika dan Aplikasinya Volume 2, Nomor 1, Januari, Institut Teknologi Surabaya, Surabaya-Indonesia (2006) [10] Saleh, B.H.A., Teich, M.C., F undam e nt al o f P hot o ni cs, John Wiley & Sons, Inc., New York (1991) [11] Samian , F abr ik as i D ire c tional C oup le r Se rat O pt ik, Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 4, No.2, hal 080203-1 - 080203-5, Institut Teknologi Surabaya, SurabayaIndonesia (2008) [12] Sekartedjo, dkk, 2007, St udy of s w itc h ing c ha rac te ristic s i n di rec tiona l c o upl e rs, International Symposium of Modern Optics and Its Applications (ISMOA) Department of Physics ITB, August 6-10, Bandung-Indonesia (2007) [13] Supadi, Yono, H.P., Gatut, Y., F abr ik a si da n K ar ak te risas i D ire c tiona l C oup le r S e bag a i D evai s P em bag i D ay a (P ow er D ev ide r) . Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 2, No.1, hal 060106-1 - 060106-6, Institut Teknologi Surabaya, Surabaya-Indonesia (2006) [14] Tamir, T., In te gr at ed O pt ics, Springer – Verlag Berlin Hidelberg New York. (1990) [15] Yono, H.P. dan Rohedi, A. Y., A p lik a si D irectional C oupl er S era t O p tik s e bagai Se ns or F-5
Edy Hariyanto / Aplikasi D ire ctiona l C oup le r P e rge se ra n . Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 4, No.2, hal 080204-1 - 0802044, Institut Teknologi Surabaya, Surabaya-Indonesia (2008)
F-6
