OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER SKRIPSI BAMBANG HERDIANSYAH

OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER

SKRIPSI

BAMBANG HERDIANSYAH 110801041

DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015

Universitas Sumatera Utara

OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains

BAMBANG HERDIANSYAH 110801041

DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015

Universitas Sumatera Utara

i Universitas Sumatera Utara

OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER

SKRIPSI

Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, Juli 2015

BAMBANG HERDIANSYAH 110801041

ii Universitas Sumatera Utara

PENGHARGAAN

Alhamdulillah, puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang karena berkat rahmat dan nikmat-Nya penulis dapat menyelesaikan penelitian hingga penulisan skripsi ini yang berjudul “Optimalisasi Pembangkitan Tunable Gelombang Mikro Menggunakan Optical Amplifier pada DFB Laser”. Shalawat dan salam kita hantarkan kepada Rasulullah SAW serta kepada Keluarga dan para Sahabatnya. Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian skripsi ini melibatkan berbagai pihak baik itu doa, dukungan, motivasi, bimbingan dan lain sebagainya. Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis menyampaikan rasa hormat serta mengucapkan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada : 1.

Bapak Dr. Sutarman, M.Sc selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.

2.

Bapak Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng selaku Kepala Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Serpong Tangerang Selatan.

3.

Bapak Dr. Marhaposan Situmorang, selaku Ketua Departemen Fisika FMIPA-USU dan dosen pembimbing pertama yang turut meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan dan pemahamannya terhadap hasil penelitian skripsi ini kepada penulis.

4.

Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku Sekretaris Departemen Fisika FMIPA-USU dan seluruh pegawai di Departemen Fisika yang telah memberikan bantuan dari segi kelancaran urusan administrasi kepada penulis.

5.

Bapak Wildan Panji Tresna, S.Si. M.T dari Pusat Penelitian Fisika-LIPI selaku dosen pembimbing kedua yang telah berkontribusi dalam pemeriksaan isi, analisa data dan juga turut menuangkan pikirannya kepada penulis terkait pembahasan penelitian skripsi ini.

6.

Bapak Iyon Titok Sugiarto, S.Si. M.T dan Nursidik Yulianto, S.Si serta Andi Setiono, S.Si dari Pusat Penelitian Fisika-LIPI yang telah memberikan arahan dan bimbingan sehingga penulis mampu mendalami bidang optoelektronika dan laser.

7.

Ayahanda Turino Junaedi dan Ibunda Milawati, terima kasih telah memberikan kasih sayang dan selalu mengingatkan dan memberi semangat kepada penulis mulai dari awal perkuliahan sampai pada bantuan berupa materi sehingga penulis mampu menyelesaikan penulisan skripsi ini. Dan

iii Universitas Sumatera Utara

juga rasa terima kasih teruntuk kepada Tanty Yuliah A.md yang senantiasa memberi dukungan, doa, dan pikiran positif kepada penulis. 8.

Sahabat di Departemen Fisika angkatan 2011 : Adimas Agung, Fauzi Handoko, Khairuddin, Tirto Adhiatma Syahid, Zikri Noer dan seluruh sahabat yang tidak dapat penulis disebutkan satu per satu. Terima kasih atas saran dan dukungannya.

Penulis sangat berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan memberikan sumbangsih untuk kemajuan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (IPTEK) di Indonesia. Kritik dan saran selalu terbuka untuk perbaikan penulisan skripsi ini di masa mendatang. Medan, Juli 2015 Penulis

iv Universitas Sumatera Utara

OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER

ABSTRAK

Frekuensi yang berada pada rentang gelombang mikro dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan komponen RADAR seperti ground penetrating, sistem radio on fiber dan lain sebagainya sehingga tunabilitas dan power sebuah sumber frekuensi adalah hal yang sangat penting. Gelombang mikro dengan frekuensi yang dapat ditala (tunable) telah dibangkitkan yang memanfaatkan beat signal (pelayangan) hasil mixing dua laser dioda jenis DFB (Distributed Feedback) dengan menggunakan teknik optical heterodyne. Dari hasil pengamatan dapat dikatakan bahwa dengan mengubah temperatur salah satu laser maka sinyal gelombang mikro yang terbangkit dapat ditala. Laser DFB 2 diatur agar arus dan temperaturnya konstan, sedangkan laser DFB 1 ditala temperaturnya sehingga panjang gelombangnya mendekati panjang gelombang laser DFB 2. Frekuensi gelombang mikro maksimal yang mampu terdeteksi adalah sebesar 8,432 GHz karena keterbatasan range pembacaan RF Spectrum Analyzer. Dari hasil penelitian ini diperoleh rata-rata perubahan frekuensi gelombang mikro sebesar 791 MHz untuk setiap perubahan 1 ℃. Karakterisasi daya optis dan panjang gelombang laser terhadap parameter yang berpengaruh yaitu temperatur dan arus injeksi laser telah dilakukan sebagai pengujian awal. Frekuensi gelombang mikro terbangkitkan dapat dioptimalisasi dengan menggunakan optical amplifier yang mampu menguatkan daya optis sinyal masukan dari laser dioda. Semakin besar arus maka daya optis laser juga semakin meningkat. Nilai minimum daya optis yang dihasilkan sebesar 0,06 mW pada arus 10,8 mA dengan nilai SNR (Signal to Noise Ratio) 45,51 dB dan nilai maksimum 0,9 mW pada arus 20 mA dengan nilai SNR 56,55 dB. Sedangkan dengan penambahan optical amplifier, daya optis laser meningkat secara signifikan dengan nilai minimum sebesar 13,5 mW pada arus 10,8 mA dengan SNR 38,9 dB dan maksimum 16,8 mW pada arus 20 mA dengan nilai SNR 51,59 dB. Nilai SNR yang lebih besar adalah yang lebih baik, hasil ini menunjukkan bahwa SNR akan selalu terdegradasi sebagai sinyal setelah melewati komponen microwave, artinya penguatan ini juga meningkatkan noise.

Kata kunci : laser DFB, gelombang mikro, teknik heterodyne optik, optical amplifier.

v Universitas Sumatera Utara

OPTIMALIZATION OF TUNABLE MICROWAVE GENERATOR BY USING OPTICAL AMPLIFIER OF DFB LASER

ABSTRACT

Frequency in the range of microwaves can be used for various purposes RADAR components such as ground penetrating, radio on fiber systems etc. so that tunability and power frequency source is a very important thing. Tunable microwaves frequency has been able to be generated by utilizing beat signal of mixing of two DFB (distributed feedback) laser diode with optical heterodyne technique. The observation result showed that tunneling one of the laser temperature cause generated microwaves signal able to be tuned. DFB 2 laser set in fix current and temperature, whereas temperature of DFB 1 laser is tuned until its wavelength close to DFB 2 laser wavelength. Maximum frequency of microwaves detected is 8,432 GHz due to limitations range of reading RF Spectrum Analyzer. As the result, the rate of the average change of microwaves frequency is 791 MHz for each temperature change of 1℃. Characterisation of optical power and laser wavelength versus its influent parameters i.e. temperature and laser injection current has been done as initial testing. Generated microwaves frequency able to be optimized by optical amplifier which has ability to gain input signal of optical power from laser diode. The more current produce more optical power laser. Minimum value of the optical power is 0,06 mW of 10,8 mA current and Signal to Noise Ratio (SNR) value 45,51 dB and maximum value is 0,9 mW of 20 mA current and SNR value 56,55 dB. Whereas by addition of optical amplifier, the power of optical laser increase significantly with minimum value 13,5 mW of 10,8 mA current and SNR value 51,59 dB. The larger the SNR value is the better, this result means showed that the SNR will always be degraded as the signal passes through any microwave component, it is mean that this gain is amplify the noise too.

Keywords: DFB laser, microwave, optical heterodyne technique, optical ampifier.

vi Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

Halaman i ii iii v vi vii ix x xii xiv

Lembar Pengesahan Pernyataan Penghargaan Abstrak Abstract Daftar Isi Daftar Tabel Daftar Gambar Daftar Singkatan Daftar Lampiran

BAB 1

BAB 2

Pendahuluan 1.1. Latar Belakang 1.2. Perumusan Masalah 1.3. Pembatasan Masalah 1.4. Tujuan Penelitian 1.5. Manfaat Penelitian 1.6. Lokasi Penelitian

1 2 2 3 3 3

Tinjauan Pustaka 2.1. Gelombang Elektromagnetik 2.2. Frekuensi Gelombang Mikro 2.3. Superposisi Dua Gelombang, Beats 2.4. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 2.4.1. Definisi Umum Laser 2.4.2. Generasi dan Rekombinasi pada Kesetimbangan Thermal 2.5. Laser Semikonduktor (Laser Dioda) 2.5.1. Panjang Gelombang Bandgap 2.5.2. DFB (Distributed Feedback) Laser Dioda 2.6. Teknik Heterodyne Optik 2.7. Serat Optik 2.7.1. Propagasi Cahaya pada Serat Optik (Numerical Aperture) 2.7.2. Pembagian Serat Optik 2.7.2.1. Berdasarkan mode yang dirambatkan 2.7.2.2. Berdasarkan indeks bias core 2.8. Pembawa Sifat Cahaya (Fiber Coupler) 2.9. Amplifikasi Optik (EDFA) 2.10. Fotodetektor

4 5 6 8 8 11 11 12 13 14 14 16 17 17 18 19 20 21

vii Universitas Sumatera Utara

BAB 3

BAB 4

BAB 5

Metodologi Penelitian 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian 3.2. Peralatan Penelitian 3.2.1. Laser Dioda (Distributed Feedback) 3.2.2. ITC 102 (OEM Laser Diode & Temperature Controllers) 3.2.3. Optical Spectrum Analyzer (OSA) 3.2.4. Optical Amplifier (EDFA) 3.2.5. Single Mode Fiber Coupler (SMFC) 3.2.6. Single Mode Fiber (SMF) 3.2.7. High Speed Photodetector (HSPD) 3.2.8. Radio Frequency Spectrum Analyzer (RFSA) 3.3. Tahapan Penelitian 3.4. Perancangan Diagram Blok Sistem 3.5. Pengujian Stabilisasi Laser

Hasil dan Pembahasan 4.1. Pengujian Kestabilan Laser 4.1.1. Hasil Karakterisasi Perubahan Arus Injeksi terhadap Daya Optis (Intensitas) Laser 4.1.2. Hasil Karakterisasi Perubahan Panjang Gelombang Laser terhadap Temperatur 4.2. Hasil Karakterisasi Perubahan Daya Optis terhadap Arus Injeksi Sebelum dan Sesudah Menggunakan Optical Amplifier 4.3. Pengaruh Optical Amplifier terhadap Penguatan (Gain) sebagai Fungsi dari Daya Sinyal Keluaran 4.4. Pengaruh SNR (Signal to Noise Ratio) terhadap Arus Injeksi Sebelum dan Sesudah Menggunakan Optical Amplifier 4.5. Analisa Spektrum Optik dan Radio Frequency 4.6. Hasil Frekuensi Pelayangan (Beat Signal)

Kesimpulan dan Saran 5.1. Kesimpulan 5.2. Saran

23 23 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

37 37 39

41 42

43 44 46

48 49

Daftar Pustaka

50

viii Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL

Nomor Tabel 2.1 2.2

Judul

Halaman

Frekuensi Band Gelombang Mikro Analisa regresi linier panjang gelombang terhadap temperatur untuk setiap arus yang berbeda

5 40

ix Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR

Nomor Gambar 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13

3.14 3.15

Judul

Halaman

Spektrum Gelombang Elektromagnetik Beats Frequency (terbentuk clumps) Beats yang disebabkan oleh superposisi dari dua gelombang dengan frekuensi yang berbeda Mekanisme rekombinasi yang berbeda dalam sistem dua level energi (a) Generasi dan rekombinasi elektron-lubang, (b) Rekombinasi elektron-lubang melalui trap (a) Dioda semikonduktor tanpa tegangan bias, (b) Dioda semikonduktor dengan tegangan bias maju DFB laser memiliki lapisan periodik yang bertindak sebagai pemantul terdistribusi Heterodyne optis dua gelombang optik Struktur dasar serat optik Proses masuknya cahaya ke dalam serat optik Serat optik single mode (monomode) Serat optik grade index multimode Serat optik step index multimode Optical coupler Konfigurasi EDFA Laser dioda DFB OEM Laser diode & temperature controllers Optical spectrum analyzer (OSA) Diagram blok optical amplifier Optical amplifier (EDFA) Dual window wideband coupler (2×1) Kabel serat optik single mode Diagram blok HSPD dan amplifier High speed photodetector Radio frequency spectrum analyzer (RFSA) Diagram alir penelitian Diagram blok sistem Karakterisasi daya optis dan panjang gelombang laser terhadap arus dan temperatur tanpa menggunakan optical amplifier Karakterisasi daya optis laser terhadap arus dan temperatur dengan menggunakan optical amplifier Diagram blok karakterisasi panjang gelombang dan daya optis laser sebelum dan sesudah menggunakan optical amplifier

4 7 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18 18 19 20 24 24 25 26 27 27 28 29 29 30 31 32

34 34

35

x Universitas Sumatera Utara

3.16 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Diagram sistem pembangkitan gelombang mikro sebelum dan sesudah menggunakan optical amplifier Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi untuk setiap temperatur yang berbeda Grafik hubungan perubahan panjang gelombang laser dioda terhadap perubahan temperatur Grafik hubungan perubahan panjang gelombang terhadap perubahan temperatur untuk setiap arus yang berbeda Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi sebelum dan sesudah menggunakan optical amplifier Grafik hubungan gain terhadap daya sinyal keluaran laser Grafik hubungan SNR terhadap arus injeksi sebelum dan sesudah menggunakan optical amplifier Spektrum pencampuran dua laser DFB pada OSA Spektrum frekuensi gelombang mikro yang terbangkit pada RFSA Grafik hubungan frekuensi gelombang mikro terhadap temperatur

36 37 38 39 40 42 43 44 45 45 46

xi Universitas Sumatera Utara

DAFTAR SINGKATAN

A cm Cos CW dB dBm DFB EDFA FC/PC Gb/s GHz HSPD IPTEK kHz LASER LED LIPI Log m mA MHz Mm m/s mW NA Nm OA OSA PD PM P2F RADAR RF RFSA SMF SMFC SNR

= Ampere = centimeter = cosinus = Continuous Wave = Decibel = Decibel meter = Distributed Feedback = Erbium Doped Fiber Amplifier = Fiber Connector/Physical Contact = Gigabit/sekon = Giga Hertz = High Speed Photo Detector = Ilmu Pengetahuan dan Teknologi = kilo Hertz = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Light Emitting Diode = Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia = logarithmic = meter = miliampere = Mega Hertz = milimeter = meter/sekon = miliwatt = Numerical Aperture = Nanometer = Optical amplifier = Optical Spectrum Analyzer = Photodiode = Polarization Maintaining = Pusat Penelitian Fisika = Radio Detection and Ranging = Radio Frequency = Radio Frequency Spectrum Analyzer = Single Mode Fiber = Single Mode Fiber Coupler = Signal to Noise Ratio

xii Universitas Sumatera Utara

TEC THz V W 𝜇A 𝜇m 𝜇W

= Thermo Electric Cooler = Tera Hertz = Volt = Watt = Mikroampere = Mikrometer = Mikrowatt

xiii Universitas Sumatera Utara

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Lampiran 1 Tabel data karakterisasi perubahan daya optis laser terhadap arus injeksi pada temperatur T = 47,3 ℃ 2 Tabel data karakterisasi perubahan daya optis laser terhadap arus injeksi untuk setiap temperatur yang berbeda 3 Tabel data perubahan panjang gelombang laser terhadap temperatur pada arus injeksi I = 12 mA 4 Tabel data perubahan panjang gelombang laser terhadap temperatur untuk setiap arus injeksi yang berbeda 5 Tabel data karakterisasi optical amplifier 6 Tabel data SNR terhadap arus injeksi sebelum dan sesudah menggunakan optical amplifier 7 Tabel data frekuensi gelombang mikro terbangkitkan terhadap temperatur sebelum dan sesudah menggunakan optical amplifier 8 Tabel data hubungan gain terhadap daya sinyal keluaran laser menggunakan Optical Amplifier 9 Gambar spektrum frekuensi gelombang mikro yang terbangkit pada RFSA 10 Gambar alat secara keseluruhan saat proses pengujian

Halaman

52

53 54 55 55 56

57 57 59 64

xiv Universitas Sumatera Utara