BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1.Pengenalan Serat Optik Serat optik adalah saluran transmisi yang terbuat dari kaca murni atau plastik yang panjang dan berdiameter sebesar rambut manusia. Digunakan untuk men-transmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain. Pada sistem komunikasi serat optik informasi dikirim dalam bentuk sinyal cahaya. Alasan utama penggunaan serat optik adalah kekebalannya terhadap gangguan elektromagnetik (sinyal cahaya yang menjalar dalam serat optik tidak terpengaruh oleh medan elektromagnetik). Cahaya yang ada di dalam serat optik sulit keluar karena indeks bias dari kaca lebih besar daripada indeks bias dari udara. Sumber cahaya yang digunakan adalah sinar laser karena sinar laser mempunyai spektrum yang sangat sempit dan sangat tajam/monokromatis. Kecepatan transmisi serat optik sangat tinggi sehingga sangat bagus digunakan sebagai saluran komunikasi. Serat optik umumnya digunakan dalam sistem telekomunikasi serta dalam pencahayaan, sensor, dan optik pencitraan. Efisiensi dari serat optik ditentukan oleh kemurnian dari bahan penyusun gelas. Semakin murni bahan gelas, semakin sedikit cahaya yang diserap oleh serat optik. 2.1.1. Struktur Dasar Sebuah Serat Optik

Gambar 2.1. Serat optik

Universitas Sumatera Utara

Struktur dasar dari sebuah serat optik yang terdiri dari 3 bagian : core (inti) , cladding (kulit), dan coating (mantel) atau buffer (pelindung). •

Inti (core) adalah sebuah batang silinder terbuat dari bahan dielektrik (bahan silika (SiO2), biasanya diberi doping dengan germanium oksida (GeO2) atau fosfor penta oksida (P2O5) untuk menaikan indeks biasnya) yang tidak menghantarkan listrik, inti ini memiliki jari-jari, besarnya sekitar 8 –200 μm dan indeks bias n1, besarnya sekitar 1,5.

• Kulit (cladding) yaitu material yang melapisi inti, yang terbuat dari bahan dielektrik (silika tanpa atau sedikit doping), kulit memiliki jarijari sekitar 125 – 400 μm indeks bias-nya n2, besarnya sedikit lebih rendah dari n1. •

Jaket (buffer), bagian ini merupakan pelindung lapisan inti dan cladding yang terbuat dari bahan plastik yang elastis. Walaupun pada dasarnya cahaya merambat sepanjang inti serat, namun kulit memiliki beberapa fungsi : a. Mengurangi loss hamburan pada permukaan inti. b. Melindungi serat dari kontaminasi penyerapan permukaan. c. Mengurangi cahaya yang loss dari inti ke udara sekitar. d. Menambah kekuatan mekanis.

2.1.2.Pembagian Serat optik Pembagian Fiber optik dapat dilihat dari 2 macam perbedaan : 2.1.2.1. Berdasarkan Mode yang dirambatkan : •

Single mode : Mempunyai inti yang kecil (berdiameter 0.00035 inch atau 9 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang gelombang 1300-1550 nanometer) diameter mendekati panjang gelombang sehingga cahaya yang masuk ke dalamnya tidak terpantul-pantul ke dinding cladding.


Gambar 2.2 : Fiber Optik Single Mode •

Multi mode : Mempunyai inti yang lebih besar (berdiameter 0.0025 inch atau 62.5 micron) dan berfungsi mengirimkan sinar laser inframerah (panjang gelombang 850-1300 nanometer) serat optik dengan diameter core yang agak besar yang membuat laser di dalamnya akan terpantulpantul di dinding cladding yang dapat menyebabkan berkurangnya bandwidth dari serat optik jenis ini.

Gambar 2.3 : Fiber Optik Multi Mode

2.1.2.2. Berdasarkan indeks bias core :

Step indeks : pada serat optik step indeks, core memiliki indeks bias yang homogen.

Graded indeks : indeks bias core semakin mendekat ke arah cladding semakin kecil. Jadi pada graded indeks, pusat core memiliki nilai indeks bias yang paling besar. Serat graded indeks memungkinkan untuk membawa bandwidth yang lebih besar, karena pelebaran pulsa yang terjadi dapat diminimalkan. Pada serat optik tipe ini, indeks bias berubah secara perlahan-lahan (graded index multimode). Indeks bias inti berubah mengecil perlahan mulai dari pusat core sampai batas antara core dengan cladding. Makin mengecilnya indeks bias ini menyebabkan kecepatan rambat cahaya akan semakin tinggi dan akan berakibat dispersi waktu antara berbagai mode cahaya yang merambat akan


berkurang dan pada akhirnya semua mode cahaya akan tiba pada waktu yang bersamaan di penerima (ujung serat optik).

2.1.3. Transmisi Cahaya Pada Serat Optik. Serat optik mengirmkan data dengan media cahaya yang merambat melalui serat kaca. Lintasan cahaya yang merambat di dalam serat :

Sinar merambat lurus sepanjang sumbu serat tanpa mengalami gangguan.

Sinar mengalami refleksi, karena memiliki sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis dan akan merambat sepanjang serat melalui pantulan-pantulan.

Sinar akan mengalami refraksi dan tidak akan dirambatkan sepanjang serat karena memiliki sudut datang yang lebih kecil dari sudut kritis.

c

b 2

a

. Gambar 2.4 : Lintasan cahaya dalam serat optik. Pemanduan cahaya dalam serat optik menggunakan pantulan internal total yang terjadi pada bidang batas antara 2 media dengan indek bias yang berbeda yaitu n1 dan n2. Bila indek bias n1 dari medium pertama lebih kecil dari indek bias medium kedua, maka sinar akan dibiaskan pada media berindeks bias besar dengan sudut i2 terhadap garis normal, hubungan antara sudut datang i1 dan sudut bias i2 terhadap indeks bias dielektrik dinyatakan oleh hukum Snell:


SinI 1 n2 = SinI 2 n1

(2.1)

Gambar 2.5 : Sinar cahaya datang pada antar muka indek bias Dari gambar terlihat bahwa cahaya dibiaskan menjauhi garis normal.Jika sudut datang terus diperbesar sehingga sudut bias sejajar dengan bidang batas (sudut bias 90˚) maka apabila sudut datang terus diperbesar setelah sudut bias 90˚, maka tidak ada lagi cahaya yang dibiaskan tetapi dipantulkan sempurna. Sudut datang pada saat sudut biasnya 90˚ disebut sudut kritis dan pada saat ini pemantulan yang terjadi adalah pemantulan total (sempurna). Dari persamaan (2.1) nilai sudut kritis diberikan oleh : ⎛n I 1 lim = arc sin ⎜⎜ 2 ⎝ n1

⎞ ⎟⎟ ⎠

(2.2)


2.2.4. Karakteristik Serat Optik a. Numerical Aperture (NA) Numerical Aperture merupakan parameter yang merepresentasikan sudut penerimaan maksimum dimana berkas cahaya masih bisa diterima dan merambat didalam inti serat. Sudut penerimaan ini dapat beraneka macam tergantung kepada karakteristik indeks bias inti dan selubung serat optik.

Gambar 2.6 : Proses masuknya cahaya kedalam serat optik. Jika sudut datang berkas cahaya lebih besar dari NA atau sudut kritis maka berkas tidak akan dipantulkan kembali ke dalam serat melainkan akan menembus cladding dan akan keluar dari serat (loss). Semakin besar NA maka semakin banyak jumlah cahaya yang diterima oleh serat. Akan tetapi sebanding dengan kenaikan NA menyebabkan lebar pita berkurang, dan rugi penyebaran serta penyerapan akan bertambah. Oleh karena itu, nilai NA besar hanya baik untuk aplikasi jarak-pendek dengan kecepatan rendah. Besarnya Numerical Aperture (NA) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut : NA = sin θ maks = (n1 − n 2 ) = n1 2Λ 2

Dimana :

2

(2.3)

n1 = Indeks bias inti n 2 =Indeks bias cladding

Δ = Beda indeks bias relatif


b. Redaman Redaman atau atenuasi adalah besaran pelemahan energi sinyal informasi dari fiber optik yang dinyatakan dalam dB. Redaman/atenuasi serat optik merupakan karakteristik penting yang harus diperhatikan mengingat kaitannya dalam menentukan jarak pengulang (repeater), jenis pemancar dan penerima optik yang harus digunakan. Besarnya atenuasi atau rugi-rugi daya dinyatakan oleh persamaan berikut :

α=

10 ⎛ Pin log⎜⎜ L ⎝ Pout

Dimana:

⎞ ⎟⎟dB / km ⎠

(2.4)

L = Panjang serat optik (km) Pin =Daya yang masuk kedalam serat Pout =Daya yang keluar dari serat

Redaman serat biasanya disebabkan oleh karena absorpsi, hamburan (scattering) dan mikro-bending. Semakin besar atenuasi berarti semakin sedikit cahaya yang dapat mencapai detektor dan dengan demikian semakin pendek kemungkinan jarak span antar pengulang. •

Absorpsi.

Absorpsi merupakan sifat alami suatu gelas. Pada daerah-daerah tertentu gelas dapat mengabsorpsi sebagian besar cahaya seperti pada daerah ultraviolet. Hal ini disebabkan oleh adanya gerakan elektron yang kuat. Demikian pula untuk daerah inframerah, terjadi absorpsi yang besar. Ini disebabkan adanya getaran ikatan kimia. Oleh karena itu sebaiknya penggunaan fiber optik harus menjauhi daerah ultraviolet dan inframerah. Penyebab absorpsi lain adanya transmisi ion-ion logam dan ion OH. Ion OH ini ternyata memberikan sumbangan absorpsi yang cukup besar. Semakin lama usia suatu fiber maka bisa diduga akan semakin banyak ion OH di dalamnya yang menyebabkan kualitas fiber menurun.


•

Hamburan

Seberkas cahaya yang melalui suatu gelas dengan variasi indeks bias di sepanjang gelas tadi, sebagian energinya akan hilang dihamburkan oleh benda benda kecil yang ada di dalam gelas. Hamburan yang disebabkan oleh tumbukan cahaya dengan partikel tersebut dinamakan hamburan Rayleigh. Besarnya hamburan Rayleigh ini berbanding terbalik dengan pangkat empat dari pangjang gelombang cahaya yaitu : 1/ λ . Sehingga dapat disimpulkan untuk lamda kecil, hamburan Rayleigh besar dan sebaliknya.

•

Mikro-bending

Atenuasi lainya adalah atenuasi yang disebabkan mikro-bending yaitu pembengkokan fiber optik untuk memenuhi persyaratan ruangan. Namun pembengkokan dapat pula terjadi secara tidak sengaja seperti misalnya fiber optik yang mendapat tekanan cukup keras sehingga cahaya yang merambat di dalamnya akan berbelok dari arah transmisi dan hilang. Hal ini tentu saja menyebabkan atenuasi.

c. Dispersi Dispersi adalah pelebaran pulsa yang terjadi ketika sinyal merambat sepanjang serat optik. Dispersi akan membatasi lebar pita (bandwidth) dari serat. Dispersi yang terjadi pada serat secara garis besar ada dua yaitu dispersi intermodal dan dispersi intramodal dikenal dengan nama lain dispersi kromatik disebabkan oleh dispersi material dan dispersi wavegiude.

2.1.5.Keuntungan dan Kerugian Serat Optik •

Keuntungan Serat Optik


Mempunyai lebar pita frekuensi (bandwith yang lebar).Frekuensi pembawa optik bekerja pada daerah frekuensi yang tinggi yaitu sekitar

1013 Hz sampai dengan 1016 Hz, sehingga informasi yang dibawa akan menjadi banyak.

Redaman sangat rendah dibandingkan dengan kabel yang terbuat dari tembaga

Kebal terhadap gangguan gelombang elektromagnet. Fiber optik terbuat dari kaca atau plastik yang merupakan isolator, berarti bebas dari interferensi medan magnet, frekuensi radio dan gangguan listrik.

Dapat menyalurkan informasi digital dengan kecepatan tinggi.

Kemampuan fiber optik dalam menyalurkan sinyal frekuensi tinggi, sangat cocok untuk pengiriman sinyal digital pada sistem multipleks digital dengan kecepatan beberapa Mbit/s hingga Gbit/s.Ukuran dan berat fiber optik kecil dan ringan.Diameter inti fiber optik berukuruan micro sehingga pemakaian ruangan lebih ekonomis.

Terbuat dari kaca atau plastik sehingga tidak dapat dialiri arus listrik (terhindar dari terjadinya hubungan pendek)

•

Sistem dapat diandalkan (20 – 30 tahun) dan mudah pemeliharaannya.

b. Kerugian Serat Optik

Konstruksi fiber optik lemah sehingga dalam pemakaiannya diperlukan lapisan penguat sebagai proteksi.

Karakteristik transmisi dapat berubah bila terjadi tekanan dari luar yang berlebihan.

Tidak dapat dialiri arus listrik, sehingga tidak dapat memberikan catuan pada pemasangan repeater.

2.2.FIBER BRAGG GRATING.

Sebuah fiber Bragg Grating (FBG) adalah sebuah variasi periodik dari indeks refraktif yang ada pada sebagian panjang fiber optik. Fiber Bragg Grating (FBG) merupakan suatu jenis reflektor (Bragg) yang terdistribusi dalam bentuk segmen-segmen atau kisi


dalam serat optik. FBG memantulkan beberapa panjang gelombang cahaya tertentu dan meneruskan sisanya, dimana hal ini dapat terjadi karena adanya penambahan suatu variasi periodik terhadap indeks bias core serat optik. Dengan karakteristik yang dimilikinya tersebut, FBG dapat difungsikan sebagai filter optik (optical filter) yakni untuk menghalangi panjang gelombang cahaya tertentu yang diinginkan atau sebagai reflektor panjang gelombang cahaya spesifik.

Input

Transmisi

Refleksi

Gambar 2.7: Struktur fiber bragg grating beserta spektrum transmisi dan refleksinya.

Gambar diatas menunjukkan priode Λ yang dimiliki oleh sebuah fiber bragg grating. Secara harfiah grating (kisi) berarti kumpulan ruang teratur yang pada

dasarnya merupakan elemen indentik dan pararel yang dipandang cahaya sebagai reflektor. Pada gambar diatas gtratingnya adalah uniform, sehingga Λ priode bragg gratingnya adalah konstan.

Adanya grating tersebut di dalam fiber menyebabkan fiber bragg grating merefleksikan panjang gelombang cahaya yang hanya memenuhi kondisi bragg dan mentransmisikan semua panjang gelombang yang lain.


Gambar 2.8: Skematis prinsip kerja sebuah FBG.

Bragg grating tersebut dibuat di dalam fiber optik itu sendiri tanpa merubah

bentuk fiber dan menjadikannya komponen di dalam fiber. Pembentukan gratingterjadi ketika fiber optik diarahkan cahaya UV dengan karakteristik panjang

gelombang dan intensitas yang tergantung pada material core.

2.2.1.Prinsip Kerja FBG.

FBG bekerja berdasarkan pada prinsip refleksi bragg. Mekanisme kerja dari FBG ditunjukkan dalam Gambar(2.8). Dalam inti (core) suatu fiber optik dibuat kisi-kisi yang mempunyai jarak antar kisi tertentu. Kisi-kisi ini, oleh cahaya, dipandang sebagai reflektor yang membentuk resonator, dimana puncak transmisi dari resonator tersebut tergantung jarak antar kisi-kisinya. Ketika cahaya melalui daerah yang secara priodik berubah-ubah dari indeks refraktif tinggi dan rendah, maka sebagian cahaya akan direfleksikan untuk setiap panjang gelombang yang memenuhi kondisi Bragg, sedangkan wilayah yang lainnya akan ditransmisikan. Panjang gelombang yang ditransmisikan disebut panjang gelombang Bragg.


Gambar 2.8 diatas adalah skematis prinsip kerja FBG yang mengilustrasikan bahwa hanya panjang gelombang yang memenuhi kondisi Bragg (direfleksikan), secara parsial direfleksikan pada tiap interface diantara daerah tersebut, sedangkan panjang gelombang yang lain diluar fase ditransmisikan ( diteruskan). Kondisi untuk refleksi tinggi, dikenal sebagai kondisi Bragg ,berkenaan dengan panjang gelombang yang direfleksikan, maka panjang gelombang Bragg

λ Bragg dengan priode grating Λ dan indeks refraktif rata-rata neff diperoleh sesuai dengan persamaan Bragg yaitu:

λ Bragg = 2neff Λ

(2.5)

Salah satu fenomena yang menarik dari FBG ini adalah sangat sensitif terhadap perubahan lingkungan seperti suhu, tekanan dan tarikan. Apabila terjadi perubahan jarak kisi karena sesuatu hal misalnya tekanan maupun suhu, maka puncak transmisinya akan berubah. Dari karakteristik inilah maka FBG banyak dikembangkan menjadi sensor suhu maupun sensor strain.

2.2.2.APLIKASI FBG.

Pembagian aplikasi utama pada produksi komersial FBG, berdasarkan material corenya yaitu: •

Sistem komunikasi fiber optik.

Wavelenght Stabilizer untuk pump laser.

Narroband WDM add/drop filter.

Dispersion Compensation.

Gain-Flattening filter.

Filter Grating Laser.


•

Fiber Grating sensor.

Dalam aplikasinya sebagai sensor pengukuran yang biasanya bisa diukur oleh fiber bragg grating adalah temperatur dan strain. Dalam beberapa literatur menunjukkan FBG sensor bisa digunakan untuk preasure dan dynamic magnetik field.

Gambar 2.10 : Fiber bragg grating diberi pengaruh suhu dan strain.

Gambar 2.10 menunjukkan pemberian pengaruh suhu dan strain pada fiber bragg grating

mengakibatkan adanya perubahan priode grating yang akan

mempengaruhi panjang gelombang Bragg. Sifat ini memungkinkan FBG dapat digunakan untuk sensor strain. Bragg grating sensor beroperasi berdasarkan

pada properti fiber bragg

grating untuk merubah karakteristik panjang gelombang yang sesuai terhadap strain dan temperatur glass fiber. Secara umum fiber bragg grating bisa dengan mudah dimultiplex untuk banyak sensor dalam fiber optik.Sistem seperti ini mempunyai kemampuan perluasan yang lebih tinggi dimana banyak sensor bisa ditambahkan ke sistem untuk pengukuran yang lebih. Terdapat beberapa aplikasi untuk sensor, umumnya sering digunakan untuk memonitoring keadaan struktur sipil,seperti gedung,jembatan dan bendungan.


Sensor fiber bragg grating mempunyai banyak keuntungan tergantung pada properti spesifiknya,seperti: •

Ukuranya kecil dan sederhana.

•

Imunitas terhadap interferensi elektromagnetik, material dielektrik dan kemungkinan sensing dan multiplexing pasif (sensor network) yang terdistribusi.

•

FBG dapat melakukan banyak fungsi didalam fiber optik seperti refleksi dan pemfilteran dan insertion loss yang kecil.

•

Respon spektrum dari FBG bergantung pada perubahan lingkungan (suhu dan tekanan), karena baik indeks refraktif dari fiber dan dimensi fisiknya berubah sesuai suhu maupun tekanan, yang mempengaruhi panjang gelombang Bragg.

•

Sebuah fiber bragg grating yang dimanufaktur dengan tepat juga menawarkan reflektivitas yang tinggi dan bandwith yang sempit pada bragg wavelenghtnya. Biasanya fiber bragg grating mempunyai reflektivitas lebih besar dari 75% . Reflektivitas yang tinggi menawarkan jumlah daya optik yang cukup untuk bisa dideteksi oleh photodiodes. Karakteristik unik fiber bragg grating sensor akan menghasilkan sebuah panjang gelombang bragg unik yang independen dari intensitas optik yang digunakan sistem. Selain kelebihan FBG juga mempunyai beberapa kekurangan yaitu:

•

Dalam aplikasi dibutuhkan recover sinyal refleksi yaitu optical sirculator agar tidak menimbulkan noise.

•

Secara prinsip, spektrum refleksi dari FBG saling melengkapi dengan spektrum transmisi, apa yang tidak direfleksikan ditransmisikan. Pada panjang gelombang yang lebih pendek dari λ Bragg ,bagaimanapun FBG biasanya mengalami loss transmisi tambahan diamana tidak ada cahaya sesuai yang direfleksikan. Loss itu disebabkan oleh cahaya yang direfleksikan kedalam mode cladding pada fiber.

•

Respon spektrum dari FBG sangat tergantung terhadap perubahan lingkungan (suhu atau tekanan) pada aplikasi bukan sensor ini merugikan. Untuk mencegahnya grating bisa disusun dalam material negative-expansion atau pada material kombinasi yang menyediakan effective negative thermal


expansion, diatur untuk mencegah panjang gelombang Bragg berubah karena suhu. Atau dengan cara lain yaitu menggunakan Thermoelectric Coller yang dapat dikontrol secara aktif. 2.2.3. Tipe-tipe struktur Grating.

Berikut adalah beberapa macam tipe dari grating dari FBG yaitu:

Gambar 2.11: Tipe umum struktur fiber grating yang diklasifikasikan berdasarkan variasi dari perubahan indeks sepanjang axis yaitu,(a)uniform dengan perubahan indeks positive-only,(b)Gaussian-apodized,(c)Raised-CosineApodized dengan perubahan indeks zero-dc, (d)Phase shift (dari п). 2.2.4. Pembuatan FBG.

Untuk membuat tumpukan yang tepat dari daerah indeks refraktif tinggi dan rendah sepanjang fiber optik, pembuat harus memodifikasi indeks refraktif dari fiber secara permanen dengan proses efekfotosensitif.Ini bisa diselesaikan dengan menyinari fiber optik dengan cahaya ultraviolet UV dengan panjang gelombang sekitar ±244 nm. Photosensitivitas pada fiber optik mengarah pada perubahan permanen indeks refraktif dari core fiber ketika diarahkan ke cahaya dengan karakteristik panjang gelombang dan intensitas yang tergantung pada material core.


Photosensitivitas berkaitan terutama dengan germanium dopant yang digunakan dalam core kebanyakan fiber komersial. Photosensitivitas bisa ditingkatkan dengan menaikkan level doping germanium atau dengan in-diffusing molekul hidrogen, dimana bertindak sebagai katalis pada reaksi dari germanium dengan cahaya UV dan secara hebat mengurangi waktu pencahayaan.Perubahan indeks sangat stabil,bahkan pada temperatur tinggi,terutama jika grating di preanneal

(dipanaskan pada

temperature antara 150°C dan 500°C setelah fabrikasi). Fabrikasinya sendiri dilakukan dengan 4 langkah proses sederhana :

Mengeluarkan acrylate Coating.

Meng-expose fiber ke cahaya UV

Preannel

Kemudian me-recoat fiber.

Untuk membuat Bragg Grating pada fiber optik, perlu dihasilkan pola priodik yang diperlukan dari cahaya UV pada sisi fiber. Ini bisa dilakukan dengan memisahkan laser cahaya UV dan menggabungkanya kembali di dalam fiber untuk membentuk standing wave, priodenya tergantung pada sudut diantara sinar. Melalui efek photosensitif, pola di imprint di dalam fiber sebagai perubahan yang bervariasi secara periodik pada indeks refraktif. Merubah periode hanya memerlukan merubah sudut dari kaca. Pendemonstrasian

awal

dari

pembuatan

FBG

menggunakan

pendekatan

interferometric, tetapi stabilitas dari pola interferensi bisa dengan mudah terganggu oleh getaran mekanikal.Metode yang lebih dapat diandalkan untuk mencetak grating adalah menggunakan fase mask. Sebuah fase mask merupakan grating itu sendiri,di sketsa di dalam silica,yang mendifraksi cahaya UV pada normal incidence menuju +1 dan -1 orde difraksi.Kedua orde ini berinterferensi untuk membuat pola interferensi

yang diinginkan tepat

dibelakang mask,dimana fiber tersebut diletakkan.Secara tipikal, waktu pencahayaan bervariasi dari beberapa detik sampai beberapa menit,bergantung pada tipe grating.


Terdapat dua tehnik penting untuk membuat grating yaitu interference pattern dan phase mask. Fiber yang biasanya digunakan adalah single mode fiber.

Interference Pattern (pola interferensi).

Menggunakan sinar cahaya dari single laser, sinar dipisahkan dan kemudian digabungkan kembali. Sebuah pola interferensi dibentuk dan priode grating bisa diatur. Metode ini susah untuk membuat grating yang panjang (limitnya adalah 1 atau 2 cm). Banyak penggunaan potensial grating memerlukan panjang yang cukup panjang (pada beberapa aplikasi 20 sampai 30 cm) dan tehnik ini tidak mampu untuk membuat grating yang lebih panjang.

Gambar 2.12: Writing FBG ke core fiber dengan tehnik interference pattern.

Phase Mask.

Tehnik phase mask mungkin adalah tehnik yang paling terbaik untuk saat ini. Phase mask mendifraksi sebuah sinar cahaya yang datang. Sinar yang didifraksi mempunyai pinggiran interferensi yang bisa dikontrol untuk untuk membuat variasi periodik dari tipe grating yang diinginkan. Ini memiliki keuntungan dalam teknik sinar rangkap dua yang memungkinkan untuk membuat grating yang sangat panjang. Mask yang digunakan panjang dan sinar disinari sepanjangnya.


Gambar 2.13: Ilustrasi fabrifikasi FBG dengan menggunakan tehnik phase mask.

2.3. LASER

Laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser merupakan sumber cahaya koheren yang monokromatik dan amat lurus. Laser bekerja pada spektrum infra merah sampai ultra ungu. Proses laser pada dasarnya adalah proses interaksi gelombang elektromagnetik dengan atom-atom materi, yaitu penggandaan intensitas cahaya yang dihasilkan dari proses transisi dalam atom di dalam materi. Untuk dapat mengetahui bagaimana sumber cahaya ini bekerja maka terlebih dahulu perlu diketahui keadaan energi yang terdapat didalam suatu atom. Menurut teori kuantum, keadaan energi dari suatu atom ditentukan oleh keadaan energi dari elektron-elektronnya. Salah satu contoh yang sederhana dari prinsip kerja laser adalah sistem dua tingkat energi untuk hidrogen seperti pada gambar 2.14, dimana E1 adalah tingkat energi normal (ground state) dan E 2 adalah tingkat energi tereksitasi (exciting state).


Gambar 2.14 : Mekanisme produksi laser (a) penyerapan (absorption), (b) pancaran spontan (spontaneous emission) dan (c) pancaran terangsang (stimulation emission).

Mula-mula dalam keadaan normal atom berada di E1 (tingkat energi normal) lalu diganggu, misalnya dengan cara dialiri arus listrik sehingga energinya naik ke E2 (tingkat energi tereksitasi). Setelah berada dalam tingkat energi tereksitasi, maka atom akan berusaha kembali ke keadaan normalnya, yaitu menuju ke E1 . Sewaktu menuju E1 dari E2 inilah dipancarkan sinar laser dalam bentuk emisi spontan (spontaneous

emission). Dalam keadaan kesetimbang termal maka jumlah atom di tingkat tereksitasi ( N 2 ) akan sama jumlahnya dengan jumlah atom di tingkat energi normal ( N1 ). Pada waktu perpindahan menuju keadaan normal maka perubahan jumlah atomnya memenuhi persamaan: N 2 / N1 = Exp (-ΔE/kT)

Dengan :

k = konstanta Bolzman ( 1,38 x

(2.6)

10−23 J/K)

T = Temperatur ( °K) ΔE= E1 - E2


Sedangkan energi fotonnya memenuhi persamaan : hν = E2 - E1

(2.7) −34

dengan :

h = konstanta Plank ( 6,6261 x 10

J.s)

ν = frekuensi energi foton Supaya terjadi banyak radiasi, maka harus diusahakan agar jumlah molekul di tingkat energi tereksitasi lebih banyak dari jumlah molekul di tingkat energi normal atau N 2 harus lebih besar dari N1 , yaitu dengan mengeksitasi sistem tersebut. Ada beberapa cara mengeksitasi sistem atom atau molekul untuk tujuan ini, misalnya dengan cara dipanasi, disinari, dialiri arus listrik ataupun dengan gelombang elektromagnetik pada frekuensi radio. Setelah N 2 lebih besar dari N1 dan apabila hal tersebut terjadi pada tabung tertutup dengan ujung tabung adalah cermin-cermin, maka foton hasil emisi spontan akibat perubahan tingkat energi dari E2 ke E1 yang mempunyai arah sembarang menumbuk foton yang lain dan akan membentuk foton baru. Dengan adanya cermincermin pada ujung tabung maka gerakan foton akan diarahkan, foton yang gerakanya sudah diarahkan ini menumbuk foton lain sehingga menimbulkan foton baru dengan arah yang sama dengan foton yang menumbuknya. Karena bentuk tabung serta pemasangan cermin tersebut maka foton-foton ini akan bolak-balik menumbuk cermin dan membentuk foton-foton baru dengan arah dan energi yang sama, hal ini disebut dengan penguatan (amplifikasi) cahaya. Biasanya cermin yang pertama mempunyai refleksi mendekati 100%, sedangkan cermin kedua 99,5% - 99,8%. Didalam sistem tersebut foton-foton dengan arah dan energi yang sama akan bolak-balik dan membentuk foton baru yang energi dan arahnya juga sama, sehingga pada suatu saat setelah terkumpul energi yang besar kumpulan foton-foton ini akan melewati bagian cermin kedua dan inilah yang keluar sebagai laser.


Memang tidak semua laser yang ada mempergunakan cermin-cermin untuk menstimulasi pembentukan foton baru, akan tetapi penjelasan diatas merupakan gambaran secara umum terjadinya laser.

2.3.1.Laser Semikonduktor (Laser Diode).

Dioda laser terbuat dari bahan semikonduktor, semikonduktor adalah material dengan konduktivitas diantara konduktor dan isolator,susunan atom-atomnya membentuk struktur kristal. Elektron-elektron dari atom-atom kristal semikonduktor pada tingkat energi yang hampir sama akan membentuk tingkat-tingkat energi yang sangat berdekatan yang disebut dengan pita energi. Pita energi yang berhubungan dengan pemancaran cahaya adalah pita energi valensi dan pita energi konduksi., jika elektron dari pita valensi karena mendapatkan energi maka tereksitasi ke pita konduksi maka tempat kosong yang ditinggalkan elektron tersebut disebut hole yang dipandang bermuatan positif. Elektron pada pita konduksi tersebut dapat turun kembali ke pita valensi mengisi hole, peristiwa ini disebut dengan rekombinasi, pada peristiwa rekombinasi akan dipancarkan cahaya bersesuaian dengan selisih kedua pita energi tersebut. Panjang gelombang yang dipancarkan λ tergantung pada energi gap anatara pita konduksi dan pita valensi yaitu:

λ=

1,2398 hc ≅ μm E g E g (eV )

Dimana:

( 2.8 )

c = kecepatan cahaya (3x10 8 m/s 2 ) h = tetapan Planck (6,6261 x 10 −34 J.s)

E g = ∆E = Energi gap (eV)

Berbagai jenis material semikonduktor tersedia sehingga panjang gelombang yang dihasilkan hampir memuat semua spektrum dari daerah tampak sampai dekat dengan infra-merah.


Pada laser semikonduktor proses lasing terjadi didalam sambungan dioda semikonduktor dari jenis yang sama seperti yang dipakai pada LED dengan mengalami perkembangan lebih lanjut, yaitu adanya rangkaian umpan balik optik (optical feedback). Salah satu sisi dioda adalah bahan semikonduktor jenis –p yang mengandung sejumlah besar lubang (hole), yaitu ikatan-ikatan kovalen dalam struktur kristal yang telah dipecah oleh pengambilan satu dari sepasang elektron yang membentuk ikatan dari bond tersebut. Sisi lain dioda adalah semikonduktor jenis –n yang mengandung banyak elektron bebas. Untuk mendapatkan aksi laser, semikonduktor jenis-p yang dikenal dengan pembawa muatan positif atau hole dan jenis-n sebagai pembawa muatan negatif atau elektron yang melakukan rekombinasi. Rekombinasi terjadi secara kontinu dalam semikonduktor jika diberikan tegangan luar dari kristal pembentuk semikonduktor. Pada bias nol, suatu daerah pengosongan (depletion zone) memisahkan kedua bagian, dimana semua lubang dan elektron telah dikombinasikan kembali atau dihilangkan. Disepanjang daerah pengosongan terdapat suatu potensial barrier (barrier potential), karena lubang-lubang dan elektron-elekron yang dikombinasikan

kembali

(recombination) mempunyai muatan terjebak pada tempat-tempat elektron campuran (impurities) didalam daerah pengosongan. Bila pada sambungan dikenakan tegangan bias maju (forward bias) yang cukup untuk mengatasi potensial batas sambungan, daerah pengosongan akan menghilang, dan lubang bebas bergerak melewati sambungan ke dalam daerah-n, sementara elektron-elekron bebas pula bergerak kedalam daerah –p, dimana mereka adalah pembawa-pembawa minoritas (minority carrier). Rekombinasi akan terjadi terus-menerus dan mengeluarkan energi dalam bentuk cahaya dan energi panas (foton). Setiap foton mengandung sejumlah energi yang ada hubungannya dengan frekuensi elektromagnetis yang sesuai menurut persamaan :

E = hν

(2.9)


ν = c/λ

(2.10)

Energi biasanya dinyatakan dalam elektron-volt,sehingga:

E = q. eV Dengan :

(2.11)

q : adalah besarnya muatan elektron = 1,602 x 10^-19 C. eV: adalah tingkat energi dalam elektron-volt.

Dari persamaan diatas didapatkan hubungan antara panjang gelombang dan tingkat energi alaktron-volt :

eV = hcl/qλ = 1,24/λ

(2.12)

Kandungan energi dari sebuah foton yang dilepaskan dalam suatu semikonduktor ada hubunganya dengan celah jalur energi (energy band gap) dari bahan semikonduktor, besarnya sama dengan potensial batas sambungan. Intensitas cahaya tergantung dari besar arus yang digunakan. Intensitas cahaya akan membesar setelah mencapai besar arus ambang (threshold current), hal ini berarti emisi spontannya naik secara linear, dimana permulaan arus emisi adalah arus ambang laser. Pada arus yang rendah radiasi yang dipancarkan oleh laser dioda adalah hasil dari emisi spontan. Dengan penambahan arus bias secara terus-menerus akan dicapai suatu keadaan dimana radiasi yang dipancarkan bukan sebagai akibat emisi spontan, tetapi akibat emisi yang terstimulasi. Daya keluaran dari laser juga sangat dipengaruhi oleh temperatur. Perubahan temperatur untuk daya yang sama akan menghsilkan spektrum cahaya dengan panjang gelombang yang berubah-ubah.


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents