PERANGKAT LUNAK UNTUK OBSERVASI DAN AKUISISI DATA PENGUKURAN POLA MEDAN DEKAT OPTIK

PERANGKAT LUNAK UNTUK OBSERVASI DAN AKUISISI DATA PENGUKURAN POLA MEDAN DEKAT OPTIK Henri P Uranus, Indrajaya P Januar, Arfian Ahmad Program Studi Optoelektroteknika dan Aplikasi Laser, Program Pascasarjana, Universitas Indonesia, Jl. Salemba Raya No. 4, Jakarta 10430

INTISARI Metoda pengukuran pola medan dekat dapat digunakan untuk karakterisasi komponen komunikasi optik seperti laser dioda, LED, serat optik, pandu gelombang optika terpadu, directional coupler, switch fotonik, dll. Citra hasil pengukuran pola medan dekat perlu diolah oleh perangkat lunak agar diperoleh data-data yang dapat digunakan untuk analisis lebih lanjut. Dalam tulisan ini dikemukakan perangkat lunak yang dikembangkan untuk mengolah citra hasil tangkapan kamera pada set-up pengukuran pola medan dekat. Perangkat lunak tersebut memperoleh masukan citra dari kartu penangkap gambar dan menghasilkan data keluaran berupa distribusi intensitas secara tiga dimensi, distribusi intensitas untuk garis scan yang ingin diamati, dan lokasi intensitas maksimum. Data hasil scanning tersebut dapat diekspor ke file teks yang selanjutnya dapat diolah dengan perangkat lunak standar seperti spreadsheet, maupun perangkat lunak pengolahan data lanjutan lainnya. Dengan menghitung volume di bawah bidang distribusi intensitas 3 dimensi dapat pula diperoleh data mengenai besarnya daya optik (dalam satuan sembarang) dari bagian yang ingin diamati. Dengan perangkat lunak ini telah dilakukan pengukuran pola medan dekat dari serat optik moda tunggal, penentuan polarisasi dari laser dioda, pengukuran pola distribusi medan keluaran pandu gelombang planar, pandu gelombang channel, pengamatan directional coupler sebagai 3-dB coupler, dan pengukuran crosstalk maupun rasio pembagian daya dari directional coupler, dsb. dengan hasil yang memuaskan. Perangkat lunak ini telah digunakan untuk melakukan karakterisasi pandu gelombang yang dibuat dengan metoda APE pada substrate LiNbO3.

ABSTRACT Nearfield pattern measurement can be used to characterize optical communication devices, such as laser diodes, LEDs, optical fibers, integrated optical circuits, directional couplers, photonic switches, etc. Nearfield pattern images should be processed to obtain data for further analysis. This work presents software which was developed to process captured images and results output data in the form of 3-D intensity distribution, intensity distribution of particular scan line, and maximum intensity location. Scanned data can be exported to a text file which can be further processed either by standard software like spreadsheets, or proprietary processing software. By calculating the volume below 3-D intensity distribution plane, optical power (in arbitrary unit) of particular areas can also be obtained. This software has been used to measure nearfield pattern of single mode fiber, polarization state of laser diode output, output intensity distribution of planar and channel waveguides, observation of directional coupler functioning as 3-dB coupler, crosstalk, and power distribution ratio of directional couplers with satisfactorily results. The software has been used to characterize waveguides fabricated using Annealed Proton Exchange (APE) method on LiNbO3 substrates.

____________________________________________________________________________ ISSN 0854-4085, SEMINAR FISIKA JAKARTA’96, Serpong, 10 September 1996 165

1.

PENDAHULUAN Komponen hasil suatu proses fabrikasi perlu diukur sifat-sifatnya agar dapat

diketahui parameter fabrikasi yang diperlukan untuk memenuhi spesifikasi tertentu maupun untuk mencocokkan hasil fabrikasi dengan disain. Demikian pula, sebelum suatu komponen dipakai dalam set-up penelitian, perlu diketahui sifat-sifatnya secara tepat agar data hasil pengukurannya dapat dianalisis. Metoda pengukuran pola medan dekat dapat digunakan untuk karakterisasi komponen sumber cahaya dan pandu gelombang dalam komunikasi optik. Komponen seperti laser dioda, LED, amplifier optik, serat optik, pandu gelombang optika terpadu, directional coupler, dan switch fotonik merupakan contoh komponen di mana pola medan dekat pada keluarannya merupakan salah satu karakteristik yang perlu diukur. Citra hasil pengukuran pola medan dekat perlu diolah oleh perangkat lunak agar diperoleh data-data yang dapat digunakan untuk analisis lebih lanjut. Dalam tulisan ini dikemukakan set-up pengukuran pola medan dekat yang dibantu komputer dan dilengkapi perangkat lunak yang dikembangkan untuk mengolah citra hasil tangkapan kamera. Perangkat lunak tersebut memperoleh masukan citra dari kartu penangkap gambar dan menghasilkan data keluaran berupa distribusi intensitas secara tiga dimensi, distribusi intensitas untuk garis scan yang ingin diamati, dan lokasi intensitas maksimum. Data hasil scanning tersebut dapat diekspor ke file teks yang selanjutnya dapat diolah dengan perangkat lunak standar seperti spreadsheet, maupun perangkat lunak pengolahan data lanjutan lainnya. Dengan menghitung volume di bawah bidang distribusi intensitas 3-dimensi dapat pula diperoleh data mengenai besarnya daya optik (dalam satuan sembarang) dari bagian yang ingin diamati.

2.

PENGUKURAN POLA MEDAN DEKAT Pola medan dekat adalah pola distribusi intensitas pada daerah ujung keluaran

dari suatu pemancar energi. Selain digunakan untuk karakterisasi pemancar cahaya, pengukuran ini dapat digunakan untuk komponen pasif seperti pandu gelombang optik yang dieksitasi pada masukannya. Metoda ini telah digunakan untuk men-verifikasi


pemodelan pandu gelombang oleh Charczenko dkk [1], karakterisasi Demultiplexer oleh Kishioka dkk. [2], karakterisasi power splitter oleh M Hafidz [3], dsb. Set-up pengukuran pola medan dekat dengan memanfaatkan komputer untuk observasi dan akuisisi data dapat dilihat pada Gambar 1. Pada set-up ini, komponen yang mau diukur ditempatkan pada suatu 3-axis stage. Jika komponen tersebut adalah komponen pasif, maka masukannya perlu dieksitasi oleh sumber cahaya dengan panjang gelombang dan kalau perlu polarisasi yang sesuai. Pola distribusi intensitas ujung keluarannya ditangkap oleh lensa objektif yang juga ditempatkan pada suatu 3axis stage. Bidang fokus lensa ini berada di dekat ujung keluaran tersebut, sehingga bayangan distribusi intensitas ujung keluaran komponen yang diukur akan terletak pada bidang detektor dari kamera video yang lensanya dilepas. Kamera tersebut dihubungkan ke kartu penangkap gambar (frame capture/grabber card) yang terpasang di dalam komputer. Di komputer dijalankan perangkat lunak penangkap gambar dan perangkat lunak observasi dan akuisisi data yang khusus dikembangkan untuk keperluan ini yang kami namakan ScanDist. Kedua perangkat lunak ini dijalankan dalam sistem operasi Windows (Windows 3.1, Windows 3.11, ataupun Windows 95). Jika perlu, tergantung saturation threshold dan damage threshold dari detektor pada kamera, dapat dipasang filter densitas netral (NDF), baik sesudah sumber, maupun sebelum kamera untuk mengurangi intensitas cahaya yang masuk ke kamera.

NDF

Polarisator

MO

(jika perlu)

DUT Sumber Cahaya

Coupler

Jika diperlukan

3-axis Stage

3-axis Stage

Komputer (dg. kartu penangkap gambar dan S/W akuisisi data pola medan dekat)

Gambar 1. Set-up pengukuran pola medan dekat dengan bantuan komputer untuk akuisisi datanya.


Kurva Distribusi Intensitas

File Bitmap

Citra dari Kamera S/W Penangkap Gambar

S/W ScanDist

Clipboard

Message

Data Distribusi Intensitas

Informasi Daya, rasio daya, lokasi puncak, FWHM, dsb

Laporan

Spreadsheet

S/W Analisis Data

Gambar 2. Aliran data dalam sistem akuisisi data pengukuran pola medan dekat dengan perangkat lunak ScanDist.

Aliran data dalam sistem ini dapat dilihat pada Gambar 2. Citra ditangkap oleh perangkat lunak penangkap gambar dalam bentuk bit map dalam format greyscale 8 bit yang selanjutnya dapat diteruskan ke ScanDist untuk diakuisisi datanya. Passing citra dari perangkat lunak penangkap gambar ke ScanDist dapat melalui file, maupun melalui clipboard. Untuk passing data melalui clipboard, ScanDist mempunyai kemampuan untuk men-trigger perangkat lunak penangkap gambar dengan menirukan ketikan kunci perintah "Copy to Clipboard" melalui pengiriman message ke perangkat lunak penangkap gambar. Kemampuan ini digabung dengan kemampuan mencatatkan data hasil akuisisi ke dalam file akan sangat berguna untuk penelitian dinamika perubahan pola medan dekat selama dilakukannya proses tertentu pada komponen yang diukur, misalnya perubahan suhu, pembentukan profil index bias melalui proses annealing, perubahan injeksi arus, dsb.

3.

DATA YANG DAPAT DIAKUISISI Dengan perangkat lunak akuisisi data yang dikembangkan, data-data yang

dapat diperoleh adalah: 1.

Pola distribusi intensitas cahaya. Distribusi intensitas cahaya pola medan dekat yang ditangkap kamera dapat di-

scan untuk garis scan yang diinginkan baik vertikal maupun horizontal, garis scan di mana daya mencapai puncaknya baik vertikal maupun horizontal, dan distribusi ____________________________________________________________________________ ISSN 0854-4085, SEMINAR FISIKA JAKARTA’96, Serpong, 10 September 1996 168

intensitas 3 dimensi dari bidang permukaan ujung komponen yang diamati. Selain berupa gambar kurva distribusi intensitas yang dapat diamati maupun di-copy melalui clipboard untuk dimasukkan ke laporan, nilai distribusi intensitas juga bisa disimpan dalam bentuk text file untuk diolah lebih lanjut, misalnya dibaca oleh perangkat lunak spreadsheet maupun perangkat lunak analisis data lainnya, misalnya perangkat lunak pencocokan kurva.

(a)

(c)

(b)

(d)

Gambar 3. Tampilan kurva distribusi intensitas (a). scanning horizontal (b). scanning vertikal pada puncak daya (c). 3 dimensi pada permukaan ujung serat optik moda tunggal yang diamati dengan ScanDist (d). data yang diekspor ke Microsoft Excel.

Gambar 3 menunjukkan contoh distribusi intensitas untuk garis scan puncak horizontal, puncak vertikal, dan distribusi intensitas 3 dimensi dari bidang ujung suatu single mode fiber yang diamati. Selain itu juga ditunjukkan contoh data distribusi


intensitas puncak vertikal yang diekspor ke perangkat lunak Microsoft Excel untuk diolah lebih lanjut dan digambar kurvanya.

2.

Besarnya daya optik, rasio pembagian daya, dan crosstalk Kamera ditambah perangkat lunak ini dapat difungsikan untuk mengukur daya

optik. Daya optik diukur dengan mengintegrasikan volume dari distribusi intensitas 3 dimensi dan dikurangi dengan derau latar belakang (background noise) dari citra seperti terlihat pada persamaan berikut ini: rown

P=

colm

∑ ∑ l ( x, y) g( x, y) -Pbg(row1,rown,col1,colm)

(1)

x = row1 y = col 1

di mana l(x,y) adalah faktor homogenitas response bagian-bagian berbeda dari detektor kamera; g(x,y) adalah nilai keabuan pixel pada baris x dan kolom y dari citra; row1 adalah baris awal; rown adalah baris akhir; col1 adalah kolom awal; colm adalah kolom akhir; dan Pbg adalah derau latar belakang dari citra. Untuk menyederhanakan proses, l(x,y) diasumsikan bernilai 1. Dengan memilih row1, rown, col1, dan colm yang sesuai, maka dapat dihitung daya optik untuk lokasi tertentu citra. ScanDist mempunyai kemampuan pengukuran daya untuk 2 set lokasi citra (dengan luas yang sama) sekaligus. Untuk daya dari keseluruhan citra diambil row1=0, rown=tinggi citra-1, col1=0, colm=lebar citra-1. Derau latar belakang diperoleh dengan menentukan derau rata-rata per pixel dari daerah yang didefinisikan sebagai gelap oleh pemakai. Daya yang diperoleh masih dalam satuan sembarang (arbitrary unit) karena kamera videonya belum dikalibrasi.

Gambar 4. Penentuan lokasi pengukuran daya dan lokasi daerah gelap.


Dengan kemampuan pengukuran daya ini, maka set-up yang dibangun dapat juga digunakan untuk mengukur rasio pembagian daya perangkat berkeluaran banyak seperti power splitter, directional coupler, 3 dB couper, 0 dB coupler, dsb. Untuk perangkat pemisah daya seperti switch photonik dan komponen wavelength division demultiplexer, kemampuan pengukuran daya ini dapat digunakan untuk mengukur crosstalk yang ada. Gambar 4 memperlihatkan contoh penentuan lokasi pengukuran daya dan lokasi daerah gelap dari pola medan dekat yang ditangkap dari directional coupler yang difungsikan sebagai 3 dB coupler yang proses fabrikasinya masih belum optimal.

4.

EKSPERIMEN

4.1

Pengukuran Polarisasi dari Laser Dioda Set-up Gambar 5 digunakan bersama ScanDist untuk mengukur polarisasi dari

laser dioda yang selanjutnya akan digunakan dalam pengukuran komponen pandu gelombang LiNbO3. Hal ini dilakukan karena pandu gelombang LiNbO3 hanya bekerja pada satu arah polarisasi (quasi-TM pada Z-cut, Y-propagation, quasi-TE pada X-cut, Y-propagation[1]). Dalam percobaan ini modul laser dioda QLM35812-052 (λ=1.3 µm) buatan Lasertron digerakkan oleh driver [4] yang disetel sedemikian rupa, sehingga besarnya intensitas cahaya berada di bawah saturation threshold dan dalam level yang aman bagi kamera. Cahaya keluaran ujung konektor pigtail dari LD dikolimasi oleh lensa objektif mikroskop 40 X, lalu dilewatkan melalui polarisator sebelum ditangkap oleh kamera infra merah MicronViewer Model 7290 buatan Electro Physics. Keluaran video dari kamera kemudian dihubungkan ke kartu penangkap gambar Video Blaster SE100 yang terpasang di komputer. Dengan ScanDist, daya optik yang ditangkap oleh kamera diukur untuk berbagai sudut polarisator.


MO 40X Polarisator Modul Laser Dioda

Pigtail fiber

Komputer Kamera infra merah LD Driver

Video Blaster 3-axis Stage

3 -axis Stage

Catatan: LD disetel agar citra tangkapan kamera tidak saturasi

Power Supply

Gambar 5. Set-up pengukuran polarisasi Laser Dioda

Hasil yang diperoleh ditampilkan pada Tabel 1. Dari hasil tersebut terlihat, bahwa fluktuasi daya untuk berbagai sudut polarisasi bagi laser dioda yang diamati tidak lebih dari 0,6 %, sehingga bisa disimpulkan, bahwa cahaya keluaran laser dioda tersebut tidak terpolarisasi, sehingga dapat digunakan untuk pengukuran

pandu

gelombang LiNbO3.

Tabel 1. Hasil pengukuran daya keluaran laser dioda QLM35812-052 untuk berbagai sudut polarisasi. Sudut Polarisator o

0

Daya Optik terukur oleh ScanDist (satuan sembarang) 5286766

o

5297680

o

5303620

45 90

o

5310496

o

5316556

135 180


4.2

Pengamatan Profil Moda Transversal dari Serat Optik Moda Tunggal

SMF Modul Laser Dioda

MO 100X

Pigtail fiber




Power Supply

Gambar 6. Set-up pengamatan profil moda transversal dari serat optik moda tunggal

Gambar 6 adalah set-up pengamatan profil moda transversal dari serat optik moda tunggal yang merupakan pigtail dari laser dioda QLM35812-052. Hasil yang diperoleh ditampilkan pada Gambar 7. Dari hasil tersebut terlihat, bahwa pola medan dekat dari serat optik tersebut berprofil Gaussian, namun lebar moda dalam arah scan vertikal dan horizontal tidak sama.

(a)

(b)

(c)

Gambar 7. (a). Profil Moda Transversal serat optik moda tunggal yang diamati (b). Profil dalam arah scan horizontal pada puncak daya (c). Profil dalam arah scan vertikal pada puncak daya.


4.3

Pengamatan Pola Medan Dekat Pandu Gelombang APE LiNbO3

Pandu Gelombang MO 100X

Modul Laser Dioda

Pigtail fiber



3 -axis Stage


Power Supply

Gambar 8. Set-up pengukuran profil moda medan dekat pandu gelombang APE LiNbO3

(a)

(b)

Gambar 9. (a). Profil moda pandu gelombang Planar APE pada bahan LiNbO3 dengan waktu proton exchage 1 jam dam waktu annealing 30 menit. (b). Profil moda dalam arah scan vertikal

Gambar 8 adalah set-up untuk mengamati pola medan dekat dari pandu gelombang yang difabrikasi dengan metode Annealed Proton Exchange (APE) pada bahan substrate LiNbO3. Untuk pandu gelombang planar, profil modanya dapat dilihat pada Gambar 9. Sedangkan untuk pandu gelombang channel, profil modanya dapat dilihat pada Gambar 10. Nilai-nilai tiap titik pada pola medan dekat (dalam bentuk data yang disimpan) yang diperoleh, jika diproses dengan perangkat lunak pencocokan kurva dapat digunakan untuk studi pemodelan pandu gelombang yang diamati maupun untuk menghitung parameter lain dari pandu gelombang tersebut, misalnya konstanta propagasi modanya (jika modelnya sudah diketahui). Set-up yang sama juga


pernah digunakan untuk mengamati pola medan dekat dari pandu gelombang hasil proses ion exchanged pada bahan BZS-4 dan BK7.

(b)

(a)

Gambar 10. (a). Profil moda pandu gelombang channel APE LiNbO3 dengan waktu proton exchange 1 jam dan waktu annealing 1 jam. (b). Profil moda dalam arah scan vertikal

4.4

Pengukuran Rasio Pembagian Daya dari Directional Coupler

(b) (a)

Gambar 11. (a). Pola medan dekat dari directional coupler (b). Profil moda pada arah scan horizontal

Dengan menggunakan set-up yang sama dengan Gambar 8 dilakukan juga pengukuran rasio pembagian daya dari directional coupler. Dalam hal ini salah satu lengan masukan dari directional coupler dieksitasi dengan cahaya dari laser dioda, lalu pola medan dekat pada ujung keluarannya diamati. Untuk dapat memperoleh tampilan keluaran kedua port (bar dan cross) sekaligus pada satu layar, maka digunakan lensa objektif 10X. Pola distribusi intensitas kedua port keluaran dapat dilihat pada Gambar 11. Dengan menggunakan kemampuan pengukuran daya pada 2


set lokasi dari ScanDist, diperoleh bahwa untuk λ=1300 nm (panjang gelombang LD yang digunakan), directional coupler tersebut mempunyai rasio pembagian daya Pcross/Pbar sebesar 0.3 dB, sehingga dapat difungsikan sebagai 3 dB coupler.

5. KESIMPULAN Telah dikemukakan suatu metoda pengamatan dan akuisisi data bagi pengukuran pola medan dekat dengan bantuan komputer dengan menggunakan perangkat lunak ScanDist yang dikembangkan khusus untuk keperluan karakterisasi komponen komunikasi optik. Dengan metoda ini dapat diperoleh data mengenai distribusi intensitas baik untuk garis scan horizontal maupun vertikal, pola distribusi intensitas 3 dimensi, besarnya daya optik, perbandingan daya, dan FWHM dari pola medan dekat komponen yang diamati. Penggunaan komputer dan kemampuan komunikasi antara perangkat lunak penangkap citra dan perangkat lunak akuisisi data memungkinkan penelitian dinamika perubahan profil medan dekat terhadap perubahan parameter tertentu pada komponen secara lebih mudah. Metoda ini merupakan suatu alat bantu yang sangat berguna untuk karakterisasi komponen komunikasi optik. Selain untuk akuisisi data pola medan dekat, perangkat lunak ScanDist juga dapat digunakan untuk penelitian interferometry, yaitu sebagai perangkat lunak untuk scanning interferogram yang dihasilkan.

DAFTAR PUSTAKA 1. W Charczenko, I P Januar, dan AR Mickelson, "Modeling of Proton-Exchanged and Annealed Channel Waveguides and Directional Couplers," J Applied Physics, Vol 73, No. 7, pp. 3139-3148, 1993. 2. K Kishioka dan GL Yip, "A Novel Three-Wavelength Demultiplexer Utilizing the Two- and Three-Guide Couplers," J Lightwave Tech., Vol. 11, No. 2, pp. 234-240, 1993. 3. M Hafidz, "Pengembangan Sistem Pandu Gelombang Optik Tergandeng sebagai Pembagi Daya Optik," Disertasi Doktor, Program Studi Optoelektroteknika dan Aplikasi Laser, Universitas Indonesia, 1993. 4. Henri P Uranus, dan Indrajaya P Januar, "Low-cost, Current Limited Laser Diode Driver with built-in TEC Controller and Lasing Monitor," Electronic Design (dalam proses penerbitan).


PERANGKAT LUNAK UNTUK OBSERVASI DAN AKUISISI DATA PENGUKURAN POLA MEDAN DEKAT OPTIK

Recommend Documents