SNF-MKS-2013
PENGARUH PERUBAHAN KONSENTRASI CLADDING TERHADAP LOSS POWER SERAT OPTIK SINGLEMODE SMF-28 Sujito, Arif Hidayat, Firman Budianto Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang Telah dilakukan penelitian yang bertujuan untuk mengetahui pengaruh perubahan cladding terhadap loss power pada serat optik singlemode step index tipe SMF-28. Metode yang digunakan adalah mengelupas cladding serat optik pada bagian tengah sepanjang kurang lebih 10 cm dengan menggunakan scrub. Bagian serat optik tanpa cladding dicelupkan seluruhnya pada larutan gliserin. Nilai konsentrasi larutan gliserin divariasi mulai 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 60%, 70%, 80%, 90%, dan 100%. Pengukuran dilakukan dengan alat optical power meter untuk menentukan daya keluaran dan loss test set sebagai sumber. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa analisis nilai viskositas yang paling besar yaitu pada gliserin dengan konsentrasi 100%. Loss power paling kecil memiliki perbedaan setiap panjang gelombang yang digunakan, yaitu untuk = 1.310 nm pada konsentrasi larutan 20%, = 1.490 nm pada konsentrasi larutan 30%, = 1.550 pada konsentrasi larutan 10%, dan yang terakhir = 1.625 pada konsentrasi larutan 30%. Kesimpulan yang dapat diambil adalah jika viskositas larutan gliserin dinaikkan, maka akan mengakibatkan nilai indeks bias cladding naik, sehingga nilai loss power juga akan naik. Kata Kunci: Loss power, Cladding, serat optik
PENDAHULUAN Memanfaatkan salah satu karakteristik serat optik sebagai sensor, maka salah satu aplikasi dari serat optik adalah mencari pengaruh perubahan cladding terhadap loss power. Hal ini dapat dilakukan dengan memvariasi viskositas suatu fluida. Pemanfaatan serat optik ini dapat digunakan sebagai pengecekan suatu produk makanan cair misalnya susu, minyak goreng, pelumas dan lain sebagainya. Serway adan Jewett. berpendapat bahwa “viskositas (kekentalan) dapat dianggap sebagai gesekan dibagian dalam suatu fluida” [1]. Pernyataan tersebut sebagai dasar dari sifat fluida yang mengalir, yaitu semakin besar viskositas fluida maka semakin sulit suatu fluida untuk mengalir dan juga menunjukkan semakin sulit suatu benda untuk bergerak dalam fluida tersebut. Viskositas setiap bahan memiliki nilai yang berbeda-beda. Hal ini mempengaruhi nilai indeks bias cladding yang mengakibatkan nilai loss power pada serat optik juga berbeda, misalnya kekentalan minyak goreng berbeda dengan kekentalan oli atau pelumas [2]. Fenomena tersebut telah banyak diteliti dengan berbagai macam cara, beberapa yang pernah dilakukan adalah Ariyanti & Mulyono “otomatisasi pengukuran koefisien viskositas zat cair dengan menggunakan gelombang ultrasonic” [3]. Wang Tang yaitu “an optical fiber viscometer based on long-period fiber grating technology and capillary tube mechanism” [4]. Masih banyak juga penelitian
yang mengaplikasikan viskositas suatu zat cair, misalnya pelumas, larutan gula [5]. Rancangan penelitian ini memiliki desain sederhana namun tingkat efisiensi tinggi, yaitu meletakkan serat optik yang hanya menyisakan core saja pada wadah yang telah berisi zatcair untuk ditentukan loss power akibat perbedaan viskositas. Hasil pengukuran dapat digunakan langsung untuk menentukan nilai loss power serat optic sebagai tujuan dari penelitian. Tujuan yang ingin dicapai adalah menentukan loss power akibat perbedaan viskositas zat cair sebagai variasi cladding menggunakan serat optik single mode step index type SMF-28 sebagai media transmisi cahaya.
Gambar 1. Rambatan Gelombang pada Singlemode Step Index Singlemode step index memiliki perubahan indeks bias antara core dan cladding yang drastis. Serat optik jenis ini, hanya memiliki satu jenis perambatan gelombang yang mengakibatkan tidak akan terjadi pelebaran pulsa pada outputnya [6].
SNF-MKS-2013
Serat optik singlemode step index tidak terjadi disperse, maka akan mampu mentransmisikan informasi dengan bandwith yang besar [7]. Serat optik ini memiliki diameter core sebesar 9 m [8]. Berikut adalah gambar perambatan gelombang pada serat optik singlemode step index. SMF-28 adalah salah satu jenis serat optik singlemode step index. Serat optik ini memiliki atenuasi yang baik pada panjang gelombang 1550 nm. Serat optik ini memiliki disperse 0 pada panjang gelombang 1313 nm, dan nilai slopenya 0,086 ps/(nm2.km). Penentuan nilai dispersi pada serat optik ini menggunakan persamaan sebagai berikut [9,10]. ( )=
−
/(
.
)
Selanjutnya mengatur loss test set dan optical power meter hingga mendapatkan panjang gelombang yang sama untuk keduanya. untuk mengetahui perubahan loss power diketahui dengan menggunakan serat optik SMF-28. Serat optik yang digunakan, dihilangkan claddingnya pada bagian tengah sepanjang kurang lebih 10 cm menggunakan alat scrub. Serat Optik Tanpa Cladding
Optical Power Meter
Cairan Gliserin
Loss Test Set
….…. (1)
dimana: = dispersi (ps/(nm.km) = panjang gelombang (nm) = panjang gelombang tanpa dispersi/dispersi = 0 (nm) = slope tanpa dispersi/ dispersi = 0 (ps/nm2.km) BAHAN DAN METODA Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah larutan gliserin, Aquades, Alkohol, Tisu, dan Serat Optik Tipe SMF-28. Peralatan yang digunakan adalah Optical Power Meter Anritsu CMA5, Gelas Ukur, Pipet, Loss Test Set Anritsu CMA50, Scrub Fiber Optic, dan Viskometer Koehler CannonFerske Routine Viscometer for Transparent Liquid. Pengambilan data dilakukan dengan memvariasi zat cair, yaitu larutan gliserin dengan variasi konsentrasi 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%. Variasi larutan gliserin dilakukan dengan menggunakan campuran aquades dengan target volume akhir larutan adalah 100 ml. Hasil masing-masing larutan akan dihitung viskositasnya menggunakan viskometer. Penentuan viskositas larutan didapat dari waktu alir larutan untuk mengalir pada set alat, kemudian mengolah menggunakan persamaan [9] = × ………………………… (2) dimana : = nilai viskositas kinematik = konstanta alat (0,515225 mm2/s) = waktu alir Langkah berikutnya adalah mengelupas cladding serat optik SMF 28 sepanjang 10 cm menggunakan scrub. Kedua ujung serat optik yang telah diberi konektor masing-masing dihubungkan ke loss test set dan optical power meter.
Serat Optik Menggunakan Cladding
Gambar 2. Skema Penelitian Meletakkan serat optik yang telah hilang claddingnya pada larutan gliserin yang telah divariasi konsentrasinya. Loss power dihitung dari hasil daya output yang terlihat pada optical power meter. Untuk membersihkan lapisan core dari larutan sebelumnya, maka digunakan alkohol 96% untuk membersihkannya dengan tisu halus. HASIL DAN DISKUSI Penelitian ini menggunakan empat panjang gelombang yang berbeda, yaitu 1.310 nm, 1.490 nm, 1.550 nm, dan 1.625 nm. Pengujian menggunakan panjang gelombang tersebut dilakukan untuk mengamati hubugan loss power dan viskositas larutan gliserin. Data hasil penelitian disajikan dalam lampiran. Penentuan viskositas larutan didapat dari waktu alir larutan untuk mengalir pada set alat, kemudian mengolah menggunakan Persamaan 2. Data hasil penelitian menunjukkan nilai viskositas larutan gliserin berbanding lurus terhadap konsentrasinya. Viskositas gliserin paling besar terjadi pada larutan gliserin dengan konsentrasi 100%, dan nilai viskositas gliserin paling kecil terjadi pada larutan gliserin dengan konsentrasi 10%. Larutan gliserin dengan konsentrasi 10% memiliki campuran aquades paling banyak dibanding larutan gliserin dengan konsentrasi lain. Kondisi campuran memperlihatkan adanya gesekan yang terjadi dalam lapisan-lapisan larutan gliserin 10% menjadi lebih kecil. Hal ini ditunjukkan dengan waktu alirnya yang semakin singkat, sehingga mengakibatkan nilai viskositasnya kecil. Larutan gliserin dengan konsentrasi 100%
SNF-MKS-2013
Gambar 3 menunjukkan bahwa terdapat penurunan yang terjadi ketika konsentrasi 20% dan 30%, mengakibatkan kurang liniernya grafik yang dihasilkan untuk panjang gelombang 1.310 nm. Konsentrasi di atas 30% memiliki kelinieran yang cukup baik, karena grafik yang terbentuk cenderung mendekati bentuk garis lurus. Nilai loss power terkecil pada panjang gelombang 1.310 nm terdapat saat konsentrasi 20%. Pada panjang gelombang yang digunakan adalah 1.490 nm, grafik yang didapatkan sebagai berikut.
Loss Power
memiliki campuran aquades yang paling sedikit dibandingkan konsentrasi lain. Ini menyebabkan gesekan yang terjadi pada lapisan-lapisan larutan gliserin menjadi lebih besar. Hal tersebut terlihat dengan waktu alir paling lama, dan menunjukkan nilai viskositas pada konsentrasi ini paling besar. Viskositas di dalam larutan timbul karena adanya gesekan dalam lapisan-lapisan larutan, sehingga semakin besar nilai gesekan yang terjadi pada larutan maka semakin besar nilai viskositasnya, dan begitu juga untuk viskositas yang bernilai kecil. Larutan gliserin dengan konsentrasi 10% dan nilai viskositas kecil, mempengaruhi nilai indeks bias larutannya, karena larutan ini memiliki konsentrasi yang kecil mengakibatkan kecepatan cahayanya lebih besar dibanding larutan lain, sehingga nilai indeks biasnya kecil. Sebaliknya, untuk nilai larutan gliserin dengan konsentrasi 100% dan nilai viskositas paling besar, memiliki nilai indeks bias paling besar karena kecepatan cahayanya paling kecil. Indeks bias larutan berbanding terbalik dengan kecepatan cahaya pada larutan tersebut, dan banyak penelitiaan yang telah membuktikannya. Ini menjadi dasar bahwa nilai indeks bias pada larutan gliserin berbanding lurus terhadap nilai konsentrasinya, yaitu semakin besar nilai konsentrasi larutan maka semakin besar pula nilai indeks biasnya, dan sebalinya.
0.705 0.704 0.703 0.702 0.701 0.7 0.699 0.698 0.697 0
50
100
150
Konsentrasi Gambar 4 Grafik Hubungan Loss Power dan Konsentrasi Larutan Gliserin dengan Panjang Gelombang 1.490 nm
0.716 0.723 0.722
0.712 Loss Power
Loss Power
0.714
0.71 0.708 0.706 0
50
100
150
Konsentrasi Gambar 3. Grafik Hubungan Loss Power dan Konsentrasi Larutan Gliserin dengan Panjang Gelombang 1.310 nm
Perbedaan nilai indeks bias pada larutan gliserin sebagai pengganti cladding ini, menyebabkan perbedaan juga pada nilai loss power serat optik SMF-28, terlihat pada Lampiran 2. Hasil analisis tersebut secara keseluruhan membuktikan bahwa semakin besar nilai indeks bias yang dihasilkan akibat meningkatnya nilai konsentrasi larutan gliserin, maka semakin besar pula nilai loss power yang dihasilkan. Hal ini dapat dilihat dari analisa grafik hubungan loss power dan viskositas larutan gliserin untuk setiap panjang gelombang.
0.721 0.72 0.719 0.718 0.717 0.716 0
50
100
150
Konsentrasi Gambar 5. Grafik Hubungan Loss Power dan Konsentrasi Larutan Gliserin dengan Panjang Gelombang 1.550 nm
Gambar 4 menunjukkan terjadi penurunan nilai loss power yang cukup jelas ketika konsentrasi 20% dan 30%, mengakibatkan kurang liniernya grafik. Ketika konsentrasi diatas 40%, nilai loss powernya mulai meningkat. Tetapi pada grafik tersebut, kurang memiliki kelinieran yang cukup baik karena grafik tidak memiliki bentuk yang mendekati garis
SNF-MKS-2013
lurus. Nilai loss power terkecil untuk panjang gelombang 1.490 nm ketika konsentrasi 30%. Pada panjang gelombang 1.550 nm, grafik hubungan yang didapat sebagaimana dalam Gambar 5. Grafik ini tidak menggambarkan penurunan nilai loss power pada konsentrasi tertentu. Terlihat dengan meningkatnya nilai loss power seiring nilai konsentrasinya, sehingga cenderung membentuk garis lurus yang linier. Nilai loss power terkecil pada panjang gelombang 1.550 nm ketika konsentrasi 10%. Panjang gelombang terakhir yang digunakan adalah 1.625 nm. Hasil yang didapatkan sebagaimana dalam Gambar 6 berikut. 0.698
Loss Power
0.696 0.694 0.692 0.69 0.688 0.686 0.684 0
50
100
150
Konsentrasi Gambar 6. Grafik Hubungan Loss Power dan Konsentrasi Larutan Gliserin dengan Panjang Gelombang 1.625 nm
Gambar 6 menunjukkan penurunan loss power yang jelas pada konsentrasi 20%, 30%, dan 40%, mengakibatkan bentuk grafik menjadi kurang linier. Tetapi ketika nilai menunjukkan nilai konsentrasi 50%, loss power yang dihasilkan mulai meningkat seiring kenaikan konsentrasinya. Grafik pada Gambar 6 memiliki kelinieran cukup baik ketika nilai konsentrasi di atas 50% karena cenderung membentuk garis lurus yang linier. Nilai loss power terkecil untuk panjang gelombang 1.625 nm terdapat ketika konsentrasi 30%. Penyebab meningkatnya nilai loss power adalah perbedaaan sudut datang menuju cladding dan sudut pantul melebihi sudut kritis yang terjadi pada proses perambatan cahaya. Proses perambatan pada serat optik SMF-28 menggunakan pemantulan bukan pembiasan dikarenakan jenis serat optik singlemode step index. Pemantulan total pada serat optik diawali penerapan hukum Snellius yaitu [10] sin = sin Maka sin harus lebih kecil dari sin , karena nilai indeks bias core pada penelitian ini sebesar 1,5 dan nilai indeks bias udara adalah 1. Proses ini terjadi ketika masuknya sumber cahaya dari optical
power meter menuju serat optik. Ketika cahaya akan masuk dalam proses pemanduan menuju loss test set, ada beberapa proses yang mengakibatkan perbedaan nilai loss power setiap konsentrasi. Hal ini karena adanya perbedaan sudut kritis yang disebabkan adanya perbedaan indeks bias cladding. Berkas cahaya datang akan membias mendekati garis normal, yang menyebabkan berkas cahaya cenderung merambat secara diagonal menuju pusat teras atau perbatasan antara core dan cladding. Agar perambatan ini terjadi, maka besar sudut pemantulannya harus lebih besar dari sudut kritis, dimana besar sudut kritis adalah [11] = arcsin dalam penelitian ini indeks bias core bernilai 1,5 dan cladding memiliki nilai indeks bias kurang dari 1,48. Nilai tersebut adalah nilai indeks bias larutan gliserin konsentrasi 100%. Nilai indeks bias cladding semakin menurun seiring dengan menurunnya konsentrasi. Hal ini mengakibatkan nilai berubah sehingga mempengaruhi besarnya loss power, yaitu semakin besar nilai viskositasnya menyebabkan meningkatnya indeks bias cladding yang berakibat pada meningkatnya loss power. Hasil penelitian ini menyempurnakan penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan sensor indeks bias, yang hanya memiliki nilai kelinieran pada konsentrasi tertentu. Loss power pada penelitian ini disebabkan oleh beberapa faktor yaitu loss kopling, loss konektor. Kedua loss tersebut memiliki pengaruh yang besar dibandingkan dengan loss yang lain. Namun kedua loss tersebut diabaikan dengan melakukan kalibrasi terlebih dahulu pada serat optic SMF-28. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil adalah perubahan konsentrasi larutan gliserin sebagai pengganti cladding pada serat optik tipe SMF 28 memiliki hubungan yang linier atau sebanding, yaitu semakin besar viskositas larutan gliserin sebagai variasi cladding maka semakin besar pula nilai loss power dan sebaliknya. REFERENSI 1. Serway, R., A., and John W. Jewett, Jr. 2010. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Eighth edition. Dartmouth Publishing, Inc. USA. 2.
Budianto, Anwar. 2008. Metode Penentuan Koefisien Kekentalan Zat Cair Dengan Menggunakan Regresi Linear Hukum Stokes. Makalah disajikan dalam Seminar Nasional
SNF-MKS-2013
SDM Teknologi Nuklir, Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-Batan, Yogyakarta, 25-26 Agustus 2008. 3.
Arianti, Eka Suci. & Mulyono, Agus. 2010. Otomatisasi Pengukuran Koefisien Viakositas Zat Cair Menggunakan gelombang Ultrasonik. Jurnal Neutrino, 2 (2): 183-187
4.
Wang, Jian-Neng. & Tang, Jaw-Luen. 2010. An Optical Fiber Viscometer Based on LongPeriode Fiber Grating Technology and Capilary Tube Mechanism. Jurnal Sensors, (Online), 10: 11174-11188, (http://www.mdpi.com/journal/sensors).
5.
El-Sherif, Mahmoud., Bansal, Lalitkumar. & Yuan, Jainming. 2007. Fiber Optic sensors for Detection of Toxic and Biological Threats. Jurnal Sensors, (Online), 7:3100-3118,
6.
Penyaluran dan Pusat Penyaluran Beban Jawa Bali. 2004. Panduan Pemeliharaan Scada & Telekomunikasi. Jakarta: PT. PLN.
7.
Wahyudi, M. 2011. Megenal Teknologi Kabel Serat Optik (Fiber Optic). (Online), (http://www.bsi.ac.id), diakses 27 Desember 2011. Palais, Joseph C. 2008. Introduction to System of optical fiber communication (Online), (http://www.howstuffworks.com://www.tpub.c om), diakses 20 Desember 2011.
8.
9.
Product Information. 2002. Corning SMF-28 Optical Fiber. Canada: Corning.
10. Hecht, Eugene. 2001. Optics Fourth Edition. Addison-Wesley. 11. Crisp, John and Barry Elliot. 2005. Serat Optic: Sebuah Pengantar. Jakarta: Erlangga.
SNF-MKS-2013
Lampiran
Hasil PerhitunganViskositas Konsentrasi
Waktu
Konstanta
Viskositas
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
3,265758 4,201854 5,217332 8,204377 9,678102 16,96637 35,54583 69,95662 181,3 608,8099
0,515225 0,515225 0,515225 0,515225 0,515225 0,515225 0,515225 0,515225 0,515225 0,515225
1,6826 2,1649 2,6881 4,2271 4,9864 8,7415 18,3141 36,0434 93,4103 313,6741
Hasil Perhitungan Loss Power pada Larutan Gliserin dengan Panjang Gelombang 1.310 nm Konsentrasi DayaKeluaran (dBm) DayaKeluaran (Watt) Loss Power (dB) 10%
-6,8+0,2
0,7621
0,7081
20%
-6,79+0,2
0,762
0,7078
30%
-6,8+0,2
0,7621
0,7081
40%
-6,83+0,2
0,7622
0,7091
50%
-6,87+0,2
0,7624
0,7103
60%
-6,89+0,2
0,7626
0,711
70%
-6,92+0,2
0,7627
0,7119
80%
-6,94+0,2
0,7628
0,7126
90%
-6,98+0,2
0,7631
0,7138
100%
-7,01+0,2
0,7632
0,7148
Hasil Perhitungan Loss Power pada Larutan Gliserin dengan Panjang Gelombang 1.490 nm Konsentrasi DayaKeluaran (dBm) DayaKeluaran (dB) Loss Power (dB) 10%
-6,52+0,2
0,760466998
0,699
20%
-6,5+0,2
0,760352907
0,6984
30%
-6,49+0,2
0,76029582
0,6981
40%
-6,52+0,2
0,760466998
0,699
50%
-6,56+0,2
0,760694858
0,7003
60%
-6,57+0,2
0,760751756
0,7007
70%
-6,63+0,2
0,76109258
0,7026
80%
-6,63+0,2
0,76109258
0,7026
90%
-6,67+0,2
0,76131926
0,7039
100%
-6,68+0,2
0,761375864
0,7042
SNF-MKS-2013
Hasil Perhitungan Loss Power pada Larutan Gliserin dengan Panjang Gelombang 1.550 nm Konsentrasi DayaKeluaran (dBm) DayaKeluaran (dB) Loss Power (dB) 10%
-7,07+0,2
0,763562793
0,7167
20%
-7,09+0,2
0,763673871
0,7173
30%
-7,1+0,2
0,763729371
0,7176
40%
-7,12+0,2
0,763840293
0,7183
50%
-7,15+0,2
0,764006483
0,7192
60%
-7,16+0,2
0,764061828
0,7195
70%
-7,2+0,2
0,764282951
0,7208
80%
-7,21+0,2
0,764338167
0,7211
90%
-7,24+0,2
0,764503662
0,722
100%
-7,25+0,2
0,764558775
0,7223
HasilPerhitungan Loss Power pada Larutan Gliserin dengan Panjang Gelombang 1.625 nm Konsentrasi DayaKeluaran (dBm) DayaKeluaran (dB) Loss Power (dB) 10%
-6,25+0,2
0,758917602
0,6902
20%
-6,17+0,2
0,758454693
0,6875
30%
-6,12+0,2
0,758164478
0,6859
40%
-6,19+0,2
0,758570585
0,6882
50%
-6,28+0,2
0,759090739
0,6912
60%
-6,3+0,2
0,759206027
0,6918
70%
-6,33+0,2
0,759378753
0,6928
80%
-6,34+0,2
0,759436274
0,6932
90%
-6,38+0,2
0,759666084
0,6945
100%
-6,42+0,2
0,759895459
0,6958
