Fiber bragg grating

BAB II DASAR TEORI

2.2 Fiber bragg grating

Fiber Bragg Grating (FBG) adalah filter optik yang berguna dalam sistem komunikasi serat 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[3]. Gambar 2.2 menunjukkan struktur pada Fiber Bragg Grating beserta spektrum transmisi dan refleksinya.

Periode Λ yang dimiliki oleh sebuah fiber bragg grating. Secara harfiah grating (kisi) berarti kumpulan ruang teratur yang pada dasarnya merupakan elemen indentik dan paralel yang dipandang cahaya sebagai reflektor. Pada Gambar 2.2 gratingnya adalah uniform, sehingga Λ periode bragg gratingnya adalah konstan.

Gambar 2.2 Struktur fiber bragg grating beserta transmisi dan refleksinya

2.2.1 Prinsip kerja fiber bragg grating

Fiber Bragg Grating bekerja berdasarkan pada prinsip refleksi bragg.

Mekanisme kerja dari FBG ditunjukkan dalam Gambar 2.3. 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 periodik 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.

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). 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 suatu hal misalnya tekanan maupun suhu, maka puncak transmisinya akan berubah. Dari karakteristik inilah maka FBG banyak dikembangkan menjadi sensor suhu maupun sensor strain[4].

Gambar 2.3 Skematis prinsip kerja sebuah FBG

2.2.2 Jenis-jenis fiber bragg grating

Setelah pengembangan teknologi sinar UV, teknologi FBG berkembang pesat. Sejak saat ini, banyak penelitian telah dilakukan untuk memperbaiki kualitas dan ketahanan FBG. Kisi serat adalah kunci dalam komunikasi serat optik dan sistem sensor.

Kisi serat yang ditembakkan oleh sinar UV ke dalam inti serat optik telah berkembang menjadi komponen penting dalam banyak aplikasi pada komunikasi serat optik dan sistem sensor. Kisi serat secara luas dapat diklasifikasikan ke dalam dua tipe, yakni kisi Bragg (disebut juga kisi pantul atau kisi berperiode pendek) yang proses kopling/gandengannya berlangsung dalam arah yang sama[4].

Jenis-jenis kisi yang secara umum dibedakan berdasarkan hal-hal berikut:

a. Berdasarkan teknik yang digunakan, terbagi atas 5:

1. Uniform Gratings 2. Apodized Gratings 3. Chirped Gratings

4. Discrete Phase-shifted Gratings, and 5. Superstructure Gratings

b. Berdasarkan periode kisi, terbagi atas 2:

1. Kisi berperiode pendek 2. Kisi berperiode panjang

c. Berdasarkan posisi kisi, terbagi atas 2:

1. Kisi simetris 2. Kisi miring

d. Berdasarkan mode kisi, terbagi atas 2:

1. Cladding-mode Gratings

2. Radiation-mode coupling gratings

Kisi serat dapat dibuat dengan cara mengekspos inti sebuah serat mode tunggal terhadap pola sinar UV solid dengan periode tertentu[10]. Gambar 2.4.

menunjukkan perubahan periodikal dalam indeks bias inti serat. Serat optik pendek dengan modulasi indeks bias inilah yang disebut Fiber Bragg Grating.

Gambar 2.4 Perubahan indeks bias inti

Modulasi indeks bias dapat dinyatakan dengan Persamaan 2.1[3].

𝑛(𝑥, 𝑦, 𝑧) = 𝑛̅(𝑥, 𝑦, 𝑧) + 𝛿𝑛(𝑥, 𝑦, 𝑧)cos⁡(^2𝜋

Λ 𝑧) (2.1)

dengan 𝑛(𝑥, 𝑦, 𝑧) ∶⁡indeks bias inti rata-rata, 𝛿𝑛(𝑥, 𝑦, 𝑧)⁡: indeks modulasi, dan

Λ : periode kisi.

Untuk mencari nilai normalisasi frekuensi dapat di selesaikan dengan menggunakan Persamaan 2.2[1].

𝑉 =^2𝜋

𝜆 √𝑛1²− 𝑛₂² (2.2)

Sejumlah kecil sinar datang terpantul pada setiap periode perubahan indeks bias. Keseluruhan gelombang cahaya terpantul disatukan ke dalam satu pantulan besar yang terjadi pada suatu panjang gelombang tertentu yang mengalami penggandengan mode terkuat. Hal ini mengacu pada kondisi Bragg dan panjang gelombang dimana pemantulan ini disebut panjang gelombang Bragg. Hanya panjang gelombang yang memenuhi kondisi Bragg yang mendapat pengaruh dan terpantul. Kisi Bragg utamanya harus transparan untuk masuknya cahaya pada panjang gelombang selain dari panjang gelombang Bragg di mana penyesuaian fasa dari cahaya masuk dan berkas cahaya yang terpantul terjadi. Panjang gelombang Bragg 𝜆_𝐵⁡diberikan oleh Persamaan 2.3[5].

𝜆_𝐵 = 2𝑛_{𝑒𝑓𝑓⁡}Λ (2.3)

Dengan 𝑛_{𝑒𝑓𝑓⁡} adalah indeks bias efektif, ini adalah kondisi yang terpenuhi untuk terjadinya resonansi Bragg. Dari Persamaan 2.3 dapat dilihat bahwa panjang gelombang Bragg bergantung pada indeks bias periode kisi. Karakteristik FBG seperti fotosensitivitas, apodisasi, dispersi, pengaturan rentang, suhu, dan respon tegangan, kompensasi panas, dan kemampuan-kemampuan lain yang dapat diandalkan telah digunakan dalam komunikasi optik dan sistem sensor[5].

2.2.3 Keunggulan dan kelemahan fiber bragg grating Adapun keunggulan dari FBG sebagai berikut : 1. Ukuran kecil, sederhana.

2. Imunitas terhadap interferensi.

3. FBG dapat berfungsi sebagai refleksi dan filter.

4. FBG memiliki refleksi tinggi dan bandwidth yang sempit.

5. Rugi-rugi yang rendah.

6. Kemampuan memilih panjang gelombang.

7. Kompabilitas yang baik untuk suatu serat optik mode tunggal yang biasa.

Sedangkan kelemahan dari FBG sebagai berikut :

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

2. Spektrum refleksi dari FBG saling melengkapi dengan spektrum transmisi.

Pada panjang gelombang yang lebih pendek dari λBragg, FBG biasanya mengalami loss transmisi dimana tidak ada cahaya sesuai yang direfleksikan. Loss itu disebabkan oleh cahaya yang direfleksikan kedalam mode cladding pada fiber.

3. Respon spektrum dari FBG tergantung perubahan lingkungan (suhu atau tekanan), pada aplikasi bukan sensor hal ini tentu merugikan. Untuk mencegahnya, kisi dapat disusun dalam material negative-expansion atau material kombinasi yang menyediakan efektive negative thermal expansion, diatur untuk mencegah panjang gelombang Bragg berubah karena suhu. Atau dengan menggunakan Thermoelektric Coller yang dapat dikontrol secara aktif.