TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 73-80 ISSN : 0125-9121
Perancangan Laser Osilator sebagai Sumber Gelombang Mikro yang Tunable dan Stabil WILDAN PANJI TRESNA DAN NURFINA YUDHASARI Bidang Instrumentasi Fisis dan Optoelektronika Pusat PenelitianFisika – Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan 15314
[email protected] Diterima: 7 September 2011
Revisi: 10 Oktober 2011
Disetujui: 1 November 2011
ABSTRAK : Tulisan ini memaparkan perancangan sebuah osilator berbasis laser dioda dengan teknik heterodyne optis. Frekuensi yang dihasilkan berada pada range frekuensi gelombang mikro D-Band hingga H-Band yang stabil dan bersifat tunable atau mampu tala. Sebelumnya telah dilakukan karakterisasi terhadap daya optis dan panjang gelombang laser tersebut dengan parameter yang berpengaruh adalah temperatur dan arus injeksi laser. Diperoleh hasil bahwa laser yang digunakan merupakan sebuah laser dengan karakterisasi panjang gelombang yang stabil dan tunable terhadap temperatur, serta mampu beroperasi dengan baik pada suhu 10°C hingga 40°C. Frekuensi yang dihasilkan mempunyai range frekuensi terendah sebesar 1.36 GHz dan frekuensi tertinggi sebesar 8 GHz. Rata-rata frekuensi yang dihasilkan adalah 6.25 GHz tiap perubahan 1°C. Range frekuensi yang dihasilkan tersebut tercapai dengan melakukan variasi terhadap temperatur laser pertama dari 18°C 19°C dengan temperatur laser kedua diatur konstan pada 24.7°C. KATA KUNCI : Laser Osilator, gelombang mikro, heterodyne optis ABSTRACT : This paper describes about the design of Laser Oscillator based on diode laser using optical heterodyne technique. The frequency resulted was microwave frequency on D-Band until reach H –Band which is stable and tunable. Before it, the characterization of optical power and wavelength has been carried out with temperature and injected current as the parameters. The result obtained is that the diode laser used for thie research was a laser which can operated in the good stability and tunability against the temperature, and it was able to operate well on the range temperature 10°C - 40°C. The frekuensi resulted has the lowest frequency on 1.36 GHz and the highest frequency on 8 GHz. The mean frequency resulted was 6.25 GHz by the change 1°C of the temperature. This range frequency could be reached by doing variation of operational temperature of first laser 18°C - 19°C and setting the temperature of second laser in 24.7°C. KEYWORD : Laser Oscillator, Microwave, optical heterodyne
1.
PENDAHULUAN
Dewasa ini Perkembangan di dunia teknologi telekomunikasi memicu para ilmuwan yang berkecimpung dalam dunia optika dan elektronika untuk selalu berinovasi mengasilkan sumber gelombang mikro yang lebih efisien, canggih, dan menjangkau range frekuensi gelombang mikro yang belum termanfaatkan secara maksimal. Gelombang mikro sendiri mempunyai range yang luas, sekitar 1 – 106 GHz [1]. Pemanfaatan yang paling umum di indonesia masih berada pada range C band hingga I band, atau sekitar 1 GHz hingga 10 GHz. Untuk menjangau range frekuensi yang cukup luas tersebut diperlukan sebuah alat sumber gelombang mikro yang tunable dan stabil frekuensinya. Demi memenuhi kebutuhan tersebut, telah dirancang sebuah osilator penghasil gelombang mikro berbasis laser dioda dengan teknik heterodyne optis yang mempunyai range frekuensi yang luas, dari area D band hingga H Band. Laser osilator ini bersifat tunable frekuensinya dengan parameter peubah adalah temperatur operasionalnya. Pada tulisan ini akan dijabarkan prinsip kerja laser osilator ini, berikut hasil sementara yang dapat dicapai. Pada laser semikonduktor, proses lasing terjadi didalam sambungan dioda semikonduktor. Untuk mendapatkan aksi laser, semikonduktor tipe-P sebagai pembawa muatan positif atau hole dan tipe-N sebagai pembawa muatan negatif atau elektron harus melakukan generasi dan rekombinasi. Pada arus panjar nol, suatu daerah pengosongan (depletion zone) memisahkan kedua bagian. Rekombinasi terjadi secara kontinu dalam semikonduktor jika diberikan tegangan luar dari kristal pembentuk semikonduktor [2]. Bila pada sambungan dikenakan arus panjar maju (forward panjar) 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. Apabila kuat arus yang diinjeksikan atau arus panjar lemah, maka invers population tidak terjadi. Apabila arus panjar maju yang
73
Perancangan Laser Osilator…
Wildan Panji Tresna
diberikan ditingkatkan maka invers population akan terjadi sehingga emisi terstimulasi pun dapat mendominasi pada arus panjar tertentu, yang disebut arus ambang ( I th )[3]. Parameter penting yang dipengaruhi oleh arus injeksi adalah daya optis sebagai keluaran dari laser dioda. Daya optis keluaran ini dapat didefinisikan sebagai:
Pout ext I I th dimana
ext
(1)
dP merupakan penurunan efisiensi kuantum laser dioda [4]. dI
Arus ambang ini juga dipengaruhi oleh temperatur operasional. Ketika temperatur operasionalnya divariasikan ternyata dapat mempengaruhi arus ambang terjadinya lasing. Hubungan ke duanya didefinisikan sebagai:
I th , T I o expT / T0
(2)
Berdasarkan eksperimen yang pernah dilakukan sebelumnya, bahwa panjang gelombang dari laser dapat diatala menurut temperatur operasional yang diberikan [5]. Pada area temperatur 293 K< T’ <355 K, dapat dihasilkan perubahan panjang gelombang sebesar 1.23 μm ≤ λ’ ≤ 1.35 μm, dengan karakterisasi yang dapat didefinisikan dari persamaan 5 berikut,
I th , T I 0 ' e T '/ T0
(3)
dengan
' T '
(4)
Dari persamaan 3 dan 4 dapat diketahui hubungan antara panjang gelombang dan temperatur operasional yang diberikan. λ pada eksperimen sebelumnya tersebut bernilai 1.25 µm, yang artinya jika panjang gelombang laser yang digunakan 1.55 µm, maka nilai λ juga bernilai 1.55 nm. Hubungan inilah yang mendasari ketergantungan frekuensi () terhadap temperatur berdasarkan persamaan sederhana dengan c adalah kecepatan cahaya bernilai konstan m/s. Agar diperoleh gelombang mikro, digunakan teknik optical heterodyne, dimana sinyal yang diperoleh berasal dari pencampuran dua sinyal gelombang electromagnetik pada frekuensi optik. Sinyal yang dihasilkan merupakan selisih dari dua gelombang optik yang berpadu. Dua sinyal yang berbeda frekuensi tersebut berpadu melalui fiber coupler dan kemudian diproses dalam photodetector sehingga kemudian dihasilkan sinyal elektrik [6]. Apabila terdapat dua medan optis E1(t) dan E2(t), dengan asumsi keduanya mempunyai polarisasi yang sama, dapat diperoleh persamaan 5 dan 6:
E1 t
1 P1e l 21 1 0 cS
(5)
E 2 t
1 P1e l 22 2 0 cS
(6)
Sinyal yang berasal dari teknik heterodyne tersebut mempunyai amplitudo yang proporsional terhadap amplitudo yang besarnya
P1 P2 , frekuensi sebesar 1 2 dan beda fasa 1 2 .
Nilai arus yang dihasilkan photodetector dapat diketahui melalui persamaan 7 berikut ini:
I RF A cos1 2 1 2 dengan nilai A konstan yang berasal dari nilai medan optis kedua gelombang dan =2π [7].
74
(7)
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
2.
Volume 29 (2) 2011: 73-80 ISSN : 0125-9121
METODOLOGI PENELITIAN
Metode yang digunakan adalah dengan menggunakan dua buah laser dengan panjang gelombang yang saling mendekati sekitar 1550 nm yang berada di area C-Band. Laser diode yang digunakan adalah Laser merk Anritsu dan Laser merk Eudyna jenis Distributer Feed Back (DFB) Sebelum kedua laser dipadukan, dilakukan karakterisasi terhadap temperatur dan arus injeksi yang mempengaruhi panjang gelombang serta intensitas atau daya optis dari laser tersebut. Proses karakterisasi dilakukan untuk mengetahui memperoleh laser yang stabil dan mampu tala. Skema alat dari proses karakterisasi, dapat dilihat pada gambar 1 berikut ini: Kontrol Arus Optical Spectrum Analyzer (OSA)
DFB Laser
Kontrol Suhu
Gambar 1. Set-up alat karakterisasi temperatur dan arus injeksi laser. Setelah dilakukan karakterisasi, kedua buah laser tersebut dipadukan dengan menggunakan fiber coupler dengan faktor pembagi intensitas 50/50. Pada gambar dua di bawah ini, akan dijelaskan mengenai skema percobaannya. Laser Driver
Laser Driver
Laser Dioda
Fiber Coupler
Eudyna
High Speed Photodetector
Laser Dioda Anritsu
Optical Spectrum Analyzer
RF Spectrum Analyzer
Gambar 2. Set-up rancang bangun alat pembangkit gelombang mikro. Kemudian sinyal optis yang dihasilkan oleh fiber coupler terbagi menjadi dua bagian, bagian pertama perilakunya dapat teramati dalam Optical Spectrum Analyzer (OSA) dan satu bagian lainnya akan diubah menjadi sinyal listrik oleh High Speed Photodetector dengan seri DSC-R402. Sinyal yang telah diubah oleh Photodetector ini nantinya akan dapat terbaca oleh RF Spectrum Analyzer.
75
Perancangan Laser Osilator…
Wildan Panji Tresna
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Laser yang digunakan dalam penelitian ini, pada awalnya dikarakterisasi terhadap arus injeksinya. Dengan karakterisasi ini, diperoleh informasi mengenai proses lasing dari laser sekaligus hubungan antara temperatur operasional yang digunakan terhadap arus ambang atau arus minimum yang diperlukan oleh laser agar proses lasing dapat terjadi. Karakteresasi terhadap arus dari laser ini diperoleh dengan merubah arus injeksi dari laser dan diperoleh daya optisnya.
Gambar 3. Grafik karakterisasi arus injeksi terhadap daya optis pada temperatur 30°C. Pada gambar 3 di atas, nilai arus yang diinjeksikan terhadap sistem laser berbanding lurus dengan daya optis yang dihasilkan. Apabila arus yang diinjeksikan sudah mencukupi untuk terjadi lasing, maka proses rekombinasi akan dapat terangsang. Dari gambar dapat diketahui bahwa arus minimum yang dibutuhkan laser untuk menghasilkan laser pada suhu operasional 30°C adalah 12,5 mA. Artinya, sinyal Laser dihasilkan setelah arus yang diinjeksikan adalah sebesar 12,5 mA, sedangkan jika arus yang diberikan di bawah nilai tersebut maka yang dihasilkan adalah sinyal LED.
Gambar 4. Karakterisasi arus injeksi terhadap daya optis dimana temperatur sebagai parameternya. Selama dilakukan variasi terhadap arus, temperatur operasional dari laser diatur agar konstan. Masingmasing temperatur yang digunakan adalah 10°C, 20°C, 30°C dan 40°C. Pada Gambar 4 dapat diketahui pengaruh temperatur operasional terhadap arus ambang laser yang berbeda-beda. Arus ambang laser adalah 7.5 mA pada temperatur 10°C, 10 mA pada 20°C, 12.5 mA pada 30°C dan 15 mA pada 35°C. Sehingga ketergantungan arus ambang pada temperatur operasional tersebut dapat dijelaskan pada gambar 5 berikut ini:
76
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 73-80 ISSN : 0125-9121
Gambar 5. Grafik hubungan arus ambang laser terhadap temperatur operasional. Dari grafik di atas, diperoleh karakterisasi yang stabil dari arus injeksi terhadap semua range temperatur operasional. Laser dapat beroperasi dengan suhu operasional yang rendah (sekitar 10°C) hingga suhu yang cukup tinggi (sekitar 40°C). Untuk menghasilkan sebuah pembangkit gelombang mikro yang dapat menghasilkan frekuensi mampu tala, dilakukan karakterisasi terhadap temperatur, karena dengan mengubah temperatur operasional dari laser, maka nilai panjang gelombang atau frekuensi dari laser tersebut dapat berubah pula.
Gambar 6. Perubahan panjang gelombang terhadap perubahan temperatur pada arus injeksi 25 mA.
Gambar 7. Perubahan panjang gelombang terhadap perubahan temperatur pada arus injeksi 26 mA.
77
Perancangan Laser Osilator…
Wildan Panji Tresna
Gambar 8. Perubahan panjang gelombang terhadap perubahan temperatur pada arus injeksi 27 mA. Pengambilan data dilakukan pada tiga arus injeksi konstan yakni 25 mA, 26 mA dan 27 mA. Hasil karakterisasinya dapat dilihat pada gambar 6, 7, dan 8 di atas. Dari gambar dapat diketahui bahwa pergeseran panjang gelombangnya bernilai 0.07 nm/°C, atau berarti jika suhu dirubah dengan selisih 1°C, maka diperoleh perubahan panjang gelombang sebesar 0.07 nm. Nilai ini penting untuk diketahui untuk mengatur panjang gelombang laser yang dibutuhkan. Nilai kemiringan slope dan nilai regresi linier dari grafik pada gambar 6, 7 dan 8 berbeda-beda. Nilai slope yang paling mendekati 1 adalah grafik pada gambar 8, sehingga secara kajian eksperimental ternyata arus 27 mA merupakan nilai terbaik yang dapat digunakan agar memperoleh kestabilan panjang gelombang laser terhadap perubahan temperatur.
Gambar 9. Frekuensi pelayangan sebesar 8 GHz yang dihasilkan dua buah laser dengan T 1 24.7°C dan T2 19°C.
Gambar 10. Frekuensi hasil pelayangan dua laser dengan memvariasikan nilai salah satu laser 18°C – 19°C dengan satu laser lainnya bertemperatur 24.7°C.
78
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 73-80 ISSN : 0125-9121
Setelah dilakukan karakterisasi masing-masing terhadap arus dan temperatur, dapat dilakukan proses pemaduan dua gelombang laser dengan teknik heterodyne optis. Laser pertama diatur secara konstan pada angka 24.7°C dan T2 atau Temperatur dari laser dioda kedua diubah dari angka 18°C – 19°C. Saat diubah, nilai frekuensi laser ikut berubah berkisat angka 0.714 GHz – 8 GHz. Pada gambar 9 di atas, ditampilkan salah satu penampakan gelombang mikro pada RF spektrum analyzer dengan frekuensi 8 GHz. Hasil secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 10. Nilai frekuensi maksimum yang dapat terukur adalah 8 GHz, mengingat RF Spectrum Analyzer yang digunakan hanya mampu mendeteksi sinyal sebesar maksimum 8 GHz. Adapun nilai frekuensi yang dihasilkan sangat dimungkinkan melebihi 10 GHz mengingat range suhu salah satu laser masih belum maksimal divariasikan. Namun, secara teori pada dasarnya ada nilai maksimum tertentu frekuensi yang mampu dihasilkan, kemudian frekuensi hasil tersebut akan menurun kembali. Dari penelitian rancang bangun awal ini, diperoleh nilai rata-rata frekuensi yang dihasilkan sebesar 6.25 GHz/°C.
4.
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari hasil-hasil karakterisasi, telah dapat dipenuhi syarat dua laser yang stabil dan tunable panjang gelombangnya, serta proses lasing yang stabil di semua range suhu, rendah hingga tinggi. Secara keseluruhan, telah didapatkan frekuensi gelombang mikro yang stabil, dengan laser pertama diatur secara konstan pada angka 24.7°C dan T 2 atau Temperatur dari laser dioda kedua diubah dari angka 18°C – 19°C. Saat diubah, nilai frekuensi laser ikut berubah berkisat angka 0.714 GHz – 8 GHz. Nilai rata-rata frekuensi yang dihasilkan sebesar 6.25 GHz/°C. Untuk memaksimumkan hasil range gelombang mikro yang diperoleh, pada tahap selanjutnya akan dilakukan variasi range frekuensi yang lebih lebar dengan instrumen ukur yang lebih tinggi batas maksimum pengukurannya.
UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada para sivitas Pusat Penelitian Fisika LIPI yang secara langsung maupun tidak langsung turut membantu dalam proses penelitian.
DAFTAR PUSTAKA [1] Pamungkas Daud, “Perancangan Osilator Band-C Menggunakan DRO.” Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi, Volume III, No.1 , Juni-Juli 2003: 39-42 [2] D. Sands, Diode Laser, Institute of Physics Publishing, 2005, Bristol and Philadelphia [3] Cunyun Ye, Tunable External Cavity Diode Laser, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2004, Singapore [4] F.J. Duarte, Tunable Laser Handbook, Academic Press,Inc., 1995, California [5] J.O’Gorman and A.F.J. Levi, Wavelength dependence of T0 in InGaAsP semiconductor laser diodes, Application Physics Letter 1993, American Institute of Physics [6] Chamberland, M., Michel Têtu, Pierre Tremblay. “Spectral characterization of microwave signals generated by the heterodyne of injection-locked semiconductor lasers”, SPIE, Vol. 2155, June 1994: 41-54 [7] Yao, J., “Microwave Photonics: Photonic Generation of Microwave and Millimeter-wave Signals”, International Journal of Microwave and Optical Technology, IJMOT, Volume 5, No.1, January 2010: 16-20
79
Perancangan Laser Osilator…
80
Wildan Panji Tresna
