MODUL 1
MODUL 1
OPTIK NONLINIER
OPTIK NONLINIER
TUJUAN PEMBELAJARAN
TUJUAN PEMBELAJARAN
Setelah mempelajari modul ini diharapkan mahasiswa dapat: Setelah mempelajari modul ini diharapkan mahasiswa dapat:
1.
1. Menjelaskan konsep dasar optik nonlinierMenjelaskan konsep dasar optik nonlinier 2.
2. Menjelaskan Material Optik NonlinierMenjelaskan Material Optik Nonlinier 3.
3. Menjelaskan Second Harmonic Generation (SHG), Bahan dan teknikMenjelaskan Second Harmonic Generation (SHG), Bahan dan teknik pengukuran SHG,
pengukuran SHG, 4.
4. Menjelaskan Menjelaskan Third Third Harmonic Harmonic Generation Generation (THG), (THG), Bahan Bahan dan dan teknikteknik pengukuran THG,
pengukuran THG, 5.
5. Menjelaskan Aplikasi bahan SHG dan THG untuk piranti-piranti fotonik.Menjelaskan Aplikasi bahan SHG dan THG untuk piranti-piranti fotonik.
PENDAHULUAN
PENDAHULUAN
Abad 20 dikenal sebagai abad elektronik dimana dimensi teknologi sangat Abad 20 dikenal sebagai abad elektronik dimana dimensi teknologi sangat tergantung pada elektron, namun kejayaan teknologi elektronik diperkirakan akan tergantung pada elektron, namun kejayaan teknologi elektronik diperkirakan akan digeser oleh teknologi fotonik (cahaya), dimensi yang jauh lebih kecil daripada digeser oleh teknologi fotonik (cahaya), dimensi yang jauh lebih kecil daripada elektron. Teknologi optoelektronik dan fotonik membutuhkan bahan yang elektron. Teknologi optoelektronik dan fotonik membutuhkan bahan yang memiliki kromofor dan sifat optik dengan respon optik nonlinear atau
memiliki kromofor dan sifat optik dengan respon optik nonlinear atau Nonlinear Nonlinear Optics
Optics (NLO) yang ditingkatkan.(NLO) yang ditingkatkan.
Bahan tersebut secara luas sedang diteliti terutama dalam sains bahan. Bahan tersebut secara luas sedang diteliti terutama dalam sains bahan. Pengaruh NLO merupakan hal yang paling penting untuk pemrosesan, transmisi Pengaruh NLO merupakan hal yang paling penting untuk pemrosesan, transmisi dan penyimpanan data optik, untuk pemrosesan gambar dan video supercepat, dan penyimpanan data optik, untuk pemrosesan gambar dan video supercepat,
serta pembuatan sistem yang membutuhkan bahan berkualitas tinggi pada bidang serta pembuatan sistem yang membutuhkan bahan berkualitas tinggi pada bidang komunikasi dan komputasi.
komunikasi dan komputasi.
Optik nonlinear adalah cabang dari optik yang menjelaskan sifat-sifat Optik nonlinear adalah cabang dari optik yang menjelaskan sifat-sifat cahaya pada media nonlinear, yakni yang memiliki respon polarisasi P, non linear cahaya pada media nonlinear, yakni yang memiliki respon polarisasi P, non linear terhadap medan elektrik E cahaya. Senyawa optik nonlinear
terhadap medan elektrik E cahaya. Senyawa optik nonlinear erat kaitannya denganerat kaitannya dengan senyawa yang berkromofor dan fotokimia. Untuk mendapatkan senyawa NLO senyawa yang berkromofor dan fotokimia. Untuk mendapatkan senyawa NLO bernilai
bernilai tinggi, tinggi, maka maka kromofor kromofor harus harus memiliki memiliki momen momen dwikutub dwikutub transisi transisi besar,besar, memiliki perbedaan momen dwikutub besar antara keadaan tereksitasi dengan memiliki perbedaan momen dwikutub besar antara keadaan tereksitasi dengan keadaan dasar, sehingga memperkenankan keadaan tereksitasi dengan sifat keadaan dasar, sehingga memperkenankan keadaan tereksitasi dengan sifat transfer muatan tinggi, tidak mempunyai pusat simetri, memiliki perbedaan energi transfer muatan tinggi, tidak mempunyai pusat simetri, memiliki perbedaan energi yang kecil antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi, memiliki sifat transparan yang kecil antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi, memiliki sifat transparan dalam ambang batas emisi tertentu, mempunyai stabilitas foton dan termal yang dalam ambang batas emisi tertentu, mempunyai stabilitas foton dan termal yang tinggi dan bersistem elektron
serta pembuatan sistem yang membutuhkan bahan berkualitas tinggi pada bidang serta pembuatan sistem yang membutuhkan bahan berkualitas tinggi pada bidang komunikasi dan komputasi.
komunikasi dan komputasi.
Optik nonlinear adalah cabang dari optik yang menjelaskan sifat-sifat Optik nonlinear adalah cabang dari optik yang menjelaskan sifat-sifat cahaya pada media nonlinear, yakni yang memiliki respon polarisasi P, non linear cahaya pada media nonlinear, yakni yang memiliki respon polarisasi P, non linear terhadap medan elektrik E cahaya. Senyawa optik nonlinear
terhadap medan elektrik E cahaya. Senyawa optik nonlinear erat kaitannya denganerat kaitannya dengan senyawa yang berkromofor dan fotokimia. Untuk mendapatkan senyawa NLO senyawa yang berkromofor dan fotokimia. Untuk mendapatkan senyawa NLO bernilai
bernilai tinggi, tinggi, maka maka kromofor kromofor harus harus memiliki memiliki momen momen dwikutub dwikutub transisi transisi besar,besar, memiliki perbedaan momen dwikutub besar antara keadaan tereksitasi dengan memiliki perbedaan momen dwikutub besar antara keadaan tereksitasi dengan keadaan dasar, sehingga memperkenankan keadaan tereksitasi dengan sifat keadaan dasar, sehingga memperkenankan keadaan tereksitasi dengan sifat transfer muatan tinggi, tidak mempunyai pusat simetri, memiliki perbedaan energi transfer muatan tinggi, tidak mempunyai pusat simetri, memiliki perbedaan energi yang kecil antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi, memiliki sifat transparan yang kecil antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi, memiliki sifat transparan dalam ambang batas emisi tertentu, mempunyai stabilitas foton dan termal yang dalam ambang batas emisi tertentu, mempunyai stabilitas foton dan termal yang tinggi dan bersistem elektron
Optik Nonlinier
Optik Nonlinier
Optik nonlinier adalah ilmu pengetahuan modern terbaru dengan Optik nonlinier adalah ilmu pengetahuan modern terbaru dengan fenomena fisika yang terjadi akibat medan yang ditimbulkan laser. Teknologi ini fenomena fisika yang terjadi akibat medan yang ditimbulkan laser. Teknologi ini dinamakan teknologi fotonik sebagai pengganti teknologi elektronik untuk dinamakan teknologi fotonik sebagai pengganti teknologi elektronik untuk memperoleh, meyimpan, menyiapkan, mengirim, dan memproses informasi. memperoleh, meyimpan, menyiapkan, mengirim, dan memproses informasi. Konsep komputer optik, proses sinyal optik dan image analisis sedang Konsep komputer optik, proses sinyal optik dan image analisis sedang dikembangkan dengan menggunakan proses optik nonlinier sebagai konversi dikembangkan dengan menggunakan proses optik nonlinier sebagai konversi frekuensi, modulasi cahaya, optikal switching, optical logic, penyimpan memori frekuensi, modulasi cahaya, optikal switching, optical logic, penyimpan memori optik dan optical limiter function.
optik dan optical limiter function.
Sifat optik nonlinier suatu bahan diungkapkan mealui hubungan antara Sifat optik nonlinier suatu bahan diungkapkan mealui hubungan antara polarisasi
polarisasi listrik listrik terinduksi terinduksi dalam dalam bahan bahan dengan dengan medan medan listrik listrik cahaya cahaya yangyang melalui bahan tersebut. Sifat optik nonlinier suatu bahan akan nampak jika melalui bahan tersebut. Sifat optik nonlinier suatu bahan akan nampak jika intensitas cahaya yang melalui bahan cukup tinggi. Sifat nonlinieritas bahan intensitas cahaya yang melalui bahan cukup tinggi. Sifat nonlinieritas bahan tersebut diungkapkan dengan suseptibilitas nonlinier (X
tersebut diungkapkan dengan suseptibilitas nonlinier (X(n)(n)) dengan n = 2 dan 3) dengan n = 2 dan 3 masing-masing untuk suseptibilitas non linier orde kedua dan ketiga masing-masing untuk suseptibilitas non linier orde kedua dan ketiga berturut-turut.
turut.
Untuk beberapa aplikasi optik nonlinier yaitu
Untuk beberapa aplikasi optik nonlinier yaitu second harmonic generation second harmonic generation (SHG), image analisis high density data storage, elektro/optik spatial light (SHG), image analisis high density data storage, elektro/optik spatial light modulation dapat direalisasikan dalam waktu dekat. Sedangkan untuk
modulation dapat direalisasikan dalam waktu dekat. Sedangkan untuk thirdthird harmonic generation
harmonic generation (THG), all-optikal switching sangat berguna bagi optikal (THG), all-optikal switching sangat berguna bagi optikal informasi prosesing dan aplikais dalam telekomunikasi di masa depan. informasi prosesing dan aplikais dalam telekomunikasi di masa depan. Keuntungan terbesar dalam menggunakan all-optical proses adalah pnguatan Keuntungan terbesar dalam menggunakan all-optical proses adalah pnguatan kecepatan yang mencapai subpicosecond. Secara garis besar, device optik kecepatan yang mencapai subpicosecond. Secara garis besar, device optik nonlinier dapat dilihat dalam tabel di bawah.
Gambar 1. Devais Optik Nonlinear Sumber Internet :
http://www.youtube.com/watch?v=s3OsaCDqS5E
Second order (X(2)) ThirdOrder (X(3)) Guide Wave Buik Bulk Waveguiden SHG Spatial light modultors Crystal for frequency doubling and
parametric proses Guided wave etalon Electro optic modulators Al-optical modulator Direction coupler Optical bistability in a nonlinear pabry-fesol Parallel processing Phase conjugation
Material Optik Nonlinier
Material-material optik nonlinier yang dipakai saat ini dalam fabrikasi devais-devais fotonik pasif dan aktif adalah kristal-kristal anorganik yang bersifat feroelektrik misalnya kristal kalium dideterium pospat (KDP) untuk pengganda frekuensi laser, kristal litium neobat (LiNbO3) untuk aplikasi
konjugasi fasa. Meskipun teknologi penumbuhan kristal untuk material-material ini berkembang jauh dan optik nonlinieritasnya cukup untuk kebanyakan aplikasi fotonik, namun material-material ini mempunyai kelakuan yang tak menguntungkan; misalnya harus dalam bentuk kristal tunggal.
Hal lain yang lebih sulit diatasi adalah bahwa kristal-kristal itu dalam optical switching masih terlalu lambat. Keterbatasan-keterbatasan ini memaksa orang untuk mencari material baru yang tepat dalam aplikasin ya.
Material-material organik merupakan kandidat bagi optik nonlinier karena beberapa alasan:
1. Waktu respon sangat cepat
2. Suseptibilitas off-resonance sama atau lebih besar daripada kristal organik.
3. Mudah difabrikasi
4. Mudah diintergrasikan di dalam devais
5. Ambang kerusakannya terhadap laser cukup tinggi 6. Harganya relatif lebih murah
Sumber Internet :
Efek Elektro Optik
Efek elektro-optik adalah perubahan dalam sifat bahan sebagai tanggapan medan listrik yang bervariasi lambat dibandingkan dengan frekuensi cahaya. Istilah ini mencakup sejumlah fenomena yang berbeda yang dapat dibagi lagi menjadi:
A. Perubahan Penyerapan
1. Electroabsoption : perubahan umum penyerapan kontanta.
2. Keldysh Franz-efek: perubahan dalam penyerapan ditampilkan dalam semikonduktor.
3. Quantum-confined efek Stark: perubahan dalam penyerapan di beberapa sumur kuntum semikonduktor.
4. Efek elektro-chromatik: pembentukan band serapan pada beberapa panjang gelombang yang menimbulkan perubahan warna.
B. Perubahan Indeks Bias
1. Pockels efek (atau efek elektro-optik linier): perubahan indeks bias berbanding lurus dengan medan listrik. Hanya padatan kristal tertentu menunjukkan efek pockels karena memerlukan kurangnya simetri inversi. 2. Efek Kerr (atau efek elektro-optik kuadrat, QEO efek): perubahan indeks bias sebanding dengan kuadrat dari medan listrik. Semua bahan menampilkan efek Kerr dengan besaran bervariasi, tetapi umunya jauh lebih lemah dari efek pockels.
3. Elektro-gyration: perubahan aktivitas optik.
Perubahan dalam penyerapan dapat memiliki efek yang kuat pada indeks bias untuk panjang gelombang dekat tepi penyerapan, karena hubungan Kremmer-Kronik.
Menggunakan definisi kurang ketat efek elektro-optik memungkinkan juga medan listrik osilasi pada frekuensi optik, orang juga bisa termasuk penyerapan nonlinier (penyerapan tergantung pada intesitas cahaya) untuk kategori a) dan efek Kerr optik (indeks bias tergantung pada cahaya intensitas) untuk kategori b). Dikombinasikan dengan photoeffect dan fotokonduktivitas, efek elektro-optik menimbulkan efek photorefractive. Sumber Internet :
http://www.youtube.com/watch?v=5gITg_TRte0
Modulasi
Modulasi adalah proses perubahan (varying) suatu gelombang periodik sehingga menjadikan suatu sinyal mampu membawa suatu informasi atau suatu proses penumpangan sinyal-sinyal informasi ke dalam sinyal pembawa (carrier), sehingga dapat ditransmisikan ke tujuan. Dengan proses modulasi, suatu informasi (biasanya berfrekuensi rendah) bisa dimasukkan ke dalam suatu gelombang pembawa, biasanya berupa gelombamng sinyal berfrekuensi tinggi. Terdapat tiga parameter kunci pada suatu gelombang
sinusoida yaitu: amplitudo, fase,dan frekuensi. Ketiga parameter tersebut dapat dimodifikasikan sesuai dengan sinyal informasi (berfrekuensi rendah) untuk membentuk sinyal yang termodulasi.
Peralatan untuk melaksanakan proses modulasi disebut modulator, sedangkan peralatan untuk memperoleh informasi awal (kebalikan dari proses modulasi) disebut demodulator dan peralatan yang melaksanakan kedua proses tersebut disebut modem.
Informasi yang dikirim bisa berupa data analog maupun digital sehingga terdapat dua jenis modulasi yaitu:
1. Modulasi analog 2. Modulasi digital 1. Modulasi Analog
Dalam modulasi analog, proses modulasi merupakan respon atas informasi sinyal analog. Teknin umum yang dipakai dalam modulasi analog:
Modulasi berdasarkan sudut
o Modulasi fase (Phase Modulation-PM)
o Modulasi frekuensi (frequncy modulation-FM)
Modulasi amplitudo (amplitudo modulation)
o Double-sideband modulation with unsuppresed carrier (Use on radio
AM band)
o Double-sideband suppresed-carrier transmition (DSB-SC) o Double-sideband reduced carrier transmition (DSB-RC)
o Sisideband modulation (SSB or SSB-AM), very similar to si
ngle-sideband suppresed carrier modulation (SSB-SC)
o Vestigial-sideband modulation (VSB or VSB-AM) o Quadrature amplitudo modulation (QAM)
2. Modulasi Digital
Dalam modulasi digital, suatu sinyal analog dimodulasi berdasarkan aliran data digital. Perubahan sinyal pembawa dipilih dari jumlah pembatas simbol alternatif. Teknik yang umum dipakai adalah:
Phase Shift Keying (PSK), digunakan suatu jumlah terbatas berdasarkan
fase
Frequency Shift Keying (FSK), digunakan suatu jumlah terbatas
berdasarkan frekuensi
Amplitudo Shift Keying (ASK), digunakan suatu jumlah terbatas
amplitudo Sumber Internet : http://www.youtube.com/watch?v=3ZMPcPR7W3Q http://www.youtube.com/watch?v=RISVHAzHO7s http://www.youtube.com/watch?v=ens-sChK1F0 http://www.youtube.com/watch?v=iTX9AIpo0j8
Modulasi Optik
Pada teori modern, diketahui cahaya merupakan gelombang yang dapat memiliki sifat-sifat seperti pembiasan, pemantulan, interferensi, difraksi, dan polarisasi. Perambatan cahaya dapat dianalisis secara mendetail meggunakan teori gelombang elektromagnetik. Teori ini untuk menjelaskan cahaya dalam frekuensi, panjang gelombang, dan fasa. Teori yang berkembang berhubungan dengan cahaya adalah teori kuantum cahaya atau disebut juga teori foton. Teori ini memandang cahaya sebagai perambatan paket energi yang disebut foton. Energi yang dikandung dalam tiap foton
dihubungkan dari frekuensi dari cahaya adalah:
Dimana: E p adalah energi foton (joule)
h adalah konstanta plank (6,626 x 10-34 Joule/sekon) f adalah frekuensi (Hz)
Teori foton ini digunakan dalam analisis dan menjelaskan tentang pembangkitan dan deteksi cahaya. Hal ini sangat membantu dalam
menggambarkan tranformasi cahaya ke dalam arus elektron (elektrik) dan sebaliknya.
Modulasi optik atau modulasi cahaya adalah teknik modulais yang menggunakan berkas cahaya berupa pulsa-pulsa cahaya sebagai sinyal pembawa informasi. Berkas cahaya yang digunakan disini adalah berkas cahaya yang dihasilkan oleh suatu sumber cahaya (laser atau LED). Dibandingkan dengan modulasi konvensional, modulasi cahaya memiliki keunggulan dalam hal ketahan terhadap derau yang sangat tinggi, karena sinyal tidak dipengaruhi medan elektromagnetik. Disamping itu, sistem ini memungkinkan adanya bitrate sehingga mencapai ratusan gigabit per detik. Dalam modulasi optik, sinyal dapat dimodulasikan amplitudonya yang dikenal dengan modulasi intensitas (intensity modulation) berupa Amplitudo Shift Keying (ASK)/ on-off keying (OOK). Selain itu, berkas cahaya dapat juga dimodulasi frekuensinya atau lebih tepat modulasi panjang gelombang
(wavelength modulation). Dan yang ketiga adalah dimodulasi fasanya (Phasa modulation).
I. Teknik Modulasi Optik
Dalam modulasi optik koheren, sinyal cahaya yang dimodulasikan dapat direpresentasikan dalam bentuk rumus besaran elektrik. Adapun rumus dasar besaran tersebut dapat didefinisikan:
Dimana:
Es adalah nilai sesaat besaran sinyal optik
Asadalah amplitudo sinyal optik
ω
sadalah sinyal optik atau pembawaϕ
sfasa sinyal optikDari persamaan dasar di atas, dapat diturunkahn tiga macam teknik optik: 1. Amplitudo Shifk keying (ASK) atau disebut juga On-Off Keying (OOK)
yang memodulasi sinyal optik dengan perubahan amplitudo antara “0” dan
“1” sementara frekuensi konstan dan tidak ada lompatan fasa.
2. Frequency Shift keying (FSK) yang memodulasi sinyal optik dengan perubahan frekuensi w1 (omega 1) dan w2 (omega 2) dan mewakili sinyal biner, sementara amplitudo konstan dan tak terjadi lompatan fasa.
3. Phase shift keying (PSK) yang memodulasi sinyal optik berdasarkan perubahan fasa menurut gelombang sinus.
Φ1 = β sin ω t
(3)Dimana β adalah indeks modulasi dan ω adalah frekuensi modulasi.
II. Format Awal Modulasi Sistem Optik
Untuk waktu yang lama, non-return-to-zero on-off-keying (NRZ-OOK) mendominasi format modulasi yang digunakan dalam sistem komunikasi serat optik. Format modulasi NRZ-OOK ini hanya akan disebut OOK. alasan-alasan yang mungkin mendasari penggunakan OOK pada awal aplikasi serat optik sebagai sistem komunikasi:pertama, OOK ini hanya membutuhkan bandwidth elektrik yang relatif kecil untuk transmiter resiver (dibandingkan dengan RZ-OOK); yang kedua, OOK tidak sensitif terhadap noise fasa laser (dibandingkan phase shift keying); dan terakhir OOK memiliki konfigurasi yang sederhana pada transmiter maupun resiver. Pada
bebarapa tahun terakhir sebagaimana komunikasi serat optik yang mengalami kemajuan dalam hal ini data rates yang semakin tinggi. DWDM dan komunikasi jarak jauh dengan amplifier optik, modulasi OOK akan menjadi referensi yang baik sebagai pembanding.
Blok diagram transmitter NRZ diperlihatkan dalam gambar di bawah ini, dimana sinyal elektrik dimodulasi dengan sebuah modulator intensitas eksternal. Modulator intensitas ini bisa berupa jenis Mach-Zehnder atau jenis elektro-absoption yang mengubah sinyal elektrik OOK dengan data rate RB menjadi suatu sinyal optik OOK pada data rate yang sama. Lebah pulsa optik
pada sebuah pulsa “1” yang terisolasi (antara bit
-bit “0”) sama dengan
kebalikan dari data rate (1/Rb). Untuk mendeteksi suatu sinyal optik NRZ, digunakan sebuah foto dioda yang sederhana pada resiver, yang akan mengubah daya optik sinyal menjadi arus listrik. Disebut juga direct detection (DD).Gambar 2 : Blok diagram transmitter NRZ Sumber Internet :
Modulator Optik
Modulator optik berfungsi memodulasi cahaya dengan cara mengubah-ubah amplitudo frekuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga mampu membawa sinyal info. Berdasarkan tempat terjadinya modulasi, ada dua macam modulasi optik, sehingga dengan sendirinya ada dua macam modulator, yaitu modulator internal (internal modulator) dan modulator eksternal (external modulator). Modulator intenal memodulasi cahaya di dalam perangkat sumber cahayanya, sedangkan modulator external memodulasi cahaya di luar perangkat cahaya. Berdasarkan interaksi antara sinyal masukan dengan media interaksi optik, maka terdapat tiga jenis modulator ekstern yaitu elektro-optik, magneto-optik, dan acousto-optik.
Klasifikasi Modulator Optik
Menurut sifat bahan yang digunakan untuk memodulasi sinar, modulator dibagi menjadi dua kelompok: modulator serap dan modulator bias. Koefisien penyerapan bahan modulator dapat diamnipulasi oleh efek Franz-Keldyish,Quantum-confinent stark, exitonic penyerapan atau perubahan konsentrasi carrier bebas. Biasanya, jika beberapa efek tersebut muncul bersama-sama, modulator disebut modulator elektro absoptive.
Modulator bias paling sering menggunakan efek elektro opik, modulator lain dibuat dengan efek acousto atau efek magneto-optik atau mengambil keuntungan dari perubahan polarisasi dalam kristal cair. Modulator bias diberi nama berdasarkan efek yang terjadi pada modulator, contohnya: modulator elektrik-optik, modulator acousto-optik, dan lain-lain. Pengaruh operasi modulator bias adalah perubahan fase dari sinar. Ini dapat dikonversi menjadi amplitudo interferometer atau couplers terarah.
1. Modulator Internal (Sumber cahaya)
Ada dua sumber cahaya yang dikenal dalam komunikasi optik: light emitting dioda (LED) dan illuminating laser dioda (ILD) yang sering disebut laser. Perbandingan karakteristik LED dan laser:
A. Light Emitting Dioda (LED): 1. Daya optik keluaran rendah 2. Penguatan cahaya tidak ada 3. Stabil terhadap suhu
4. Disipasi panas kecil 5. Arus pacu kecil
6. Life time lebih sedikit
7. Tidak compatible dengan fiber optik single mode sehingga tidak cocok untuk komunikasi jarak jauh (long haul)
B. Light Amplication by Stimulation Emission of Radiation (LASER) 1. Daya optik keluaran besar
2. Terdapat penguatan cahaya 3. Kurang stabil terhadap suhu 4. Disipasi panas besar
5. Arus pacu besar 6. Lifetime lebih lama
7. Kompatible dengan fiber optik jenis single mode sehingga sangat cocok digunakan untuk komunikasi jarak jauh.
Dari perbandingan karakteristik di atas, maka diperoleh laser mempunyai kriteria yang lebih baik dan lebih cocok uttuk sistem yang digunakan daripada LED sebagai sumber cahaya.
1. Modulator Eksternal
A. Modulator Elektro-Optik
Modulator eksternal elektro optik adalah modulator yang memanfaatkan interaksi sinyal elektrik dengan media interaksi. Interaksi yang terjadi pada elektro optik ini adalah terjadinya perubahan indeks bias media interaksi akibat pengaruh medan elektrik yang diberikan kepada media interaksi terssebut. Jika medan elektrik diberikan kepada media interaksi optik maka distribusi elektron pada media interaksi akan terdistorsi dan terpolarisasi sehingga menyebabkan indeks bias media interaksi berubah secara isotropik sehingga akan mengubah karakteristik pandu gelombang optik atau karakteristik media interaksi. Dengan perubahnya karakteristik tersebut maka mode perambatan berkas akan berubah baik berupa perubahan fasa ataupun panjang gelombang. Pengaruh medan elektrik pada perubahan indeks bias media interaksi menghasilkan dua macam interaksi elektro-optik yaitu: efek Pockels yang merupakan efek linier elektro optik pada media interaksi zat padat. Efek Kerr yang merupakan efek kuadrat elektro optik pada media interaksi yang umumnya berupa zat cair.
a. Modulator Mach Zehnder
Mach zehnder merupakan jenis modulator eksternal elektro optik, modulator ini bekerja mempengaruhi berkas cahaya yang melintas dengan meggunakan medan elektro magnetik tertentu yang dihasilkan oleh pulsa- pulsa listrik. Atau dengan kata lain modulator ini bekerja berdasarkan prinsip perpaduan (interfering) dua berkas cahaya koheren yang menghasilkan pola garis-garis cahaya (fringe) sesuai dengan besarnya beda fasa antara dua berkas cahaya tadi. Gambar di bawah adalah skema dasar interferometer mach zehnder. Pada gambar tersebut nampak jelas cara kerja alat jika dilihat dari arah rambatan cahayanya.
Gambar 3 : Interferometer Mach Zehnder Keterangan;
S: sumber berkas P: titik fokus lensa L2
W1,W2,W3:muka gelombang optik L1 dan L2: lensa kolimator
D1 dan D2: media semipantul M1 dan M2: cermin pantul
Perbedaan fasa yang terjadi bisa disebabkan dua hal, yaitu perbedaan fasa karena pemantulan atau perbedaan karena lintasan. Pada kasus ini perbedaan fasa yang ditimbulkan disebabkan karena perbedaan lintasan yang ditempuh kedua berkas sinar. Perbedaan fasa akibat pantulan tidak terjadi disini, karena terjadinya pantulan pada masing-masing berkas sinar sama, yaitu tiap berkas sama-sama mengalami dua kali pemantulan. Beda fasa antara dua berkas cahaya pada titik P dapat dinyatakan dalam persamaan :
Dimana : Dimana :
h adalah selisih dua berkas cahaya dalam interferometer h adalah selisih dua berkas cahaya dalam interferometer n adalah indeks bias medium perambatan optik
n adalah indeks bias medium perambatan optik
Pada titik P, tempat bertemunya dua berkas cahaya tadi, akan Pada titik P, tempat bertemunya dua berkas cahaya tadi, akan terjadi poal dengan titik pusat (fringe) terang jika:
terjadi poal dengan titik pusat (fringe) terang jika: nh = m
nh = m00 : m=0,1,2,3... : m=0,1,2,3... (5)(5)
dan fringe gelap jika: dan fringe gelap jika:
:m= :m= 0,1,2,3.. 0,1,2,3.. (6)(6) Dari persamaan diatas, pola interferensi muncul akibat perrbedaan Dari persamaan diatas, pola interferensi muncul akibat perrbedaan lintasan antara dua berkas cahaya yang masuk dalam interferometer lintasan antara dua berkas cahaya yang masuk dalam interferometer sehingga menimbulkan perbedaan fasa antara kedua berkas tersebut. Jika sehingga menimbulkan perbedaan fasa antara kedua berkas tersebut. Jika tidak ada perbedaan lintasan antara kedua berkas, maka tidak akan timbul tidak ada perbedaan lintasan antara kedua berkas, maka tidak akan timbul interferensi karena tidak ada beda fasa antara kedua berkas sehingga interferensi karena tidak ada beda fasa antara kedua berkas sehingga keduanya akan menyatu kembali dengan sempurna. Perbedaan lintasan ini keduanya akan menyatu kembali dengan sempurna. Perbedaan lintasan ini muncul karena kedua berkas tiba pada titik yang berbeda pada L2 muncul karena kedua berkas tiba pada titik yang berbeda pada L2 sehingga keduanya mencapai titik fokus lensa L2 yaitu P dengan sehingga keduanya mencapai titik fokus lensa L2 yaitu P dengan menempuh jarak lintasan yang berbeda pula. Karena pola interferensi menempuh jarak lintasan yang berbeda pula. Karena pola interferensi yang muncul tergantung pada parameter n dan parameter h, maka yang muncul tergantung pada parameter n dan parameter h, maka persamaan di atas dapat diturunkan berdasarkan kedua parameter tersebut. persamaan di atas dapat diturunkan berdasarkan kedua parameter tersebut.Bila diturunkan rumus beda fasa di atas, maka akan diperoleh: Bila diturunkan rumus beda fasa di atas, maka akan diperoleh:
(7)(7)
(8)(8)
(9)(9)Rumus beda fasa 2 Rumus beda fasa 2
Dari penurunan persamaan fasa di atas, seperti ditunjukkan oleh Dari penurunan persamaan fasa di atas, seperti ditunjukkan oleh persamaan
persamaan beda beda fasa fasa (a) (a) terlihat terlihat bahwa bahwa perubahan perubahan fasa fasa tergantung tergantung padapada perubahan
perubahan indeks indeks bias bias n n dan dan perubahan perubahan jarak jarak h h akibat akibat pergeseran pergeseran posisiposisi keempat komponen optik yaitu L1,L2,M1,M2. Perbandingan fasa te
keempat komponen optik yaitu L1,L2,M1,M2. Perbandingan fasa te rsebutrsebut berbanding
berbanding lurus lurus dengan dengan kedua kedua parameter parameter tadi. tadi. Selain Selain itu, itu, munculmuncul konstanta yang membuat beda fasa tidak menjadi nol bila bila tidak ada konstanta yang membuat beda fasa tidak menjadi nol bila bila tidak ada perubahan
perubahan indeks indeks bias bias atau atau perubahan perubahan jarak jarak lintasan. lintasan. Sedangkan Sedangkan padapada persamaan
persamaan beda beda fasa fasa (b) (b) menunjukkan menunjukkan pengaruh pengaruh jarak jarak dalam dalam perubahanperubahan fasa dan persamaan beda fasa 2 menunjukkan hal serupa untuk indeks fasa dan persamaan beda fasa 2 menunjukkan hal serupa untuk indeks bias
bias medium medium perambatan. perambatan. Berdasarkan Berdasarkan gambar gambar model model prisma prisma di di atas,atas, redaman yang dialami berkas cahaya pada interferometer
redaman yang dialami berkas cahaya pada interferometer B.
B. Modulator Acousto-OptikModulator Acousto-Optik
Suatu modulator acousto optik (AOM) disebut sel Bragg, Suatu modulator acousto optik (AOM) disebut sel Bragg, modulator ini menggunakan efek acousto-optik untuk pelenturan dan modulator ini menggunakan efek acousto-optik untuk pelenturan dan pergeseran
pergeseran frekuensi frekuensi cahaya cahaya menggunakan menggunakan gelombang gelombang suara suara (biasanya (biasanya didi radio frekuensi). Modulator ini digunakan dalam laser untuk Q Switching, radio frekuensi). Modulator ini digunakan dalam laser untuk Q Switching, dalam telekomunikasi untuk modulasi sinyal dan dalam spektroskopi dalam telekomunikasi untuk modulasi sinyal dan dalam spektroskopi untuk kontrol frekuensi. Sebuah transduser piezoelectrik terpasang pada untuk kontrol frekuensi. Sebuah transduser piezoelectrik terpasang pada material seperti kaca. Sebuah drive sinyal listrik yang berosilasi agar material seperti kaca. Sebuah drive sinyal listrik yang berosilasi agar tranduser bergetar, menciptakan gelombang suara di kaca ini dapat tranduser bergetar, menciptakan gelombang suara di kaca ini dapat dianggap sebagai perpindahan pesawat periodik ekspansi dan kompresi dianggap sebagai perpindahan pesawat periodik ekspansi dan kompresi yang mengubah indeks bias. Cahaya yang masuk menyebar dari indeks yang mengubah indeks bias. Cahaya yang masuk menyebar dari indeks modulasi yang dihasilkan periodik dan terjadi gangguan serupa dalam modulasi yang dihasilkan periodik dan terjadi gangguan serupa dalam difraksi Bragg. Interaksi ini dapat dianggap sebagai empat gelombang difraksi Bragg. Interaksi ini dapat dianggap sebagai empat gelombang pencampuran
pencampuran antara antara fonon fonon dan dan foton. foton. Sifat-sifat Sifat-sifat cahaya cahaya keluaran keluaran AOMAOM dapat dikontrol dalam lima cara:
1.
1. DefleksiDefleksi
Sebuah berkas difraksi yang muncul pada sudut θ yang tergantung pada
Sebuah berkas difraksi yang muncul pada sudut θ yang tergantung pada
panjang
panjang gelombang gelombang cahayacahaya
relatif terhadap panjang gelombang dari relatif terhadap panjang gelombang darisuara Λ
suara Λ
(10)(10) Dalam rezim BraggDalam rezim Bragg
(11)(11)Dengan cahaya: normal terhadap gelombang suara, dimana Dengan cahaya: normal terhadap gelombang suara, dimana m=...,-2,-1,0,1,2,... adalah urutan difraksi. Difraksi dari modulasi sinusoida dalam 1,0,1,2,... adalah urutan difraksi. Difraksi dari modulasi sinusoida dalam kristal tipis hanya menghasilkan m=-1,0,1 difraksi perintah. Difraksi kristal tipis hanya menghasilkan m=-1,0,1 difraksi perintah. Difraksi dalam kristal mengalir ketebalan medium menyebabkan difraksi perintah dalam kristal mengalir ketebalan medium menyebabkan difraksi perintah yang lebih tinggi. Dalam kristak tebal dengan modulasi lemah, hanya yang lebih tinggi. Dalam kristak tebal dengan modulasi lemah, hanya perintah phasematched adalah difraksi, ini disebut difraksi bragg. Defleksi perintah phasematched adalah difraksi, ini disebut difraksi bragg. Defleksi sudut dapat berkisar 1-5000 lebar balok (jumlah bintik-bintik diatas). sudut dapat berkisar 1-5000 lebar balok (jumlah bintik-bintik diatas). Akibatnya lecutan yang ada biasanya terbatas pada puluhan milliradians. Akibatnya lecutan yang ada biasanya terbatas pada puluhan milliradians. 2.
2. IntensitasIntensitas
Jumlah cahaya difraksi oleh gelombang suara tergantung pada intensitas Jumlah cahaya difraksi oleh gelombang suara tergantung pada intensitas suara. Oleh karena itu, intensitas suara dapat digunakan untuk megfatur suara. Oleh karena itu, intensitas suara dapat digunakan untuk megfatur intensitas cahaya dalam berkas difraksi. Biasanya intensitas difraksi intensitas cahaya dalam berkas difraksi. Biasanya intensitas difraksi menjadi m=0 agar dapat bervariasi antara 15% sampai 99% dari intensitas menjadi m=0 agar dapat bervariasi antara 15% sampai 99% dari intensitas cahaya masukan. Demikian pula intensitas order m=1 dapat bervariasi cahaya masukan. Demikian pula intensitas order m=1 dapat bervariasi antara 0% sampai 80%.
antara 0% sampai 80%. 3.
3. FrekuensiFrekuensi
Satu perbedaan dari difraksi bragg adalah bahwa cahaya adalah hamburan Satu perbedaan dari difraksi bragg adalah bahwa cahaya adalah hamburan dari pesawat bergerak. Konsekuensi dari hal ini adalah frekuensi f berkas dari pesawat bergerak. Konsekuensi dari hal ini adalah frekuensi f berkas
difraksi dalam m ketertiban akan Doppler-bergeser dengan jumlah yang sama dengan frekuensi gelombang suara F.
f f + mF
pergeseran frekuensi juga dibutuhkan oleh fakta bahwa energi dan momentum (dari foton dan fonon) yang kekal dalam proses. Pergeseran frekuensi yang khas bervariasi dari 27 MHz, untuk AOM lebih murah, sampai 400 MHz, untuk perangkat komersial negara
–
of-the-art. Dalam beberapa AOMs, dua gelombang akustik berjalan diarah yang berlawanan dalam materi, menciptakan sebuah gelombang berdiri. Difraksi dari gelombang berdiri tidak bergeser frekuensi cahaya difraksi.4. Tahap
Selain itu, fase berkas difraksi juga akan bergeser oleh fasa dari gelombang suara, tahap ini dapat diubah dalam jumlah yang tidak terbatas.
5. Polarisasi
Kesegarisan akustik gelombang transversal atau gelombang longitudinal tegak lurus dapat mengubah polarisasi. Gelombang akustik menginduksi fase pergeseran-birefringent, seperti dalam sel pockels. Filter merdu acousto-optik terutama dazzler yang dapat menghasilkan bentuk pulsa variabel, berdasarkan pada prinsip ini.
Acousto optik modulator jauh lebih cepat daripada perangkat mekanik khas seperti cermin yang dapat dimiringkan. Waktu yang diperlukan AOM untuk menggeser balok keluar dari dalam secara kasar terbatas pada waktu transit dari gelombang suara di balok (biasanya 5-100 nanodetik). Hal ini cukup cepat untuk menciptakan model locking aktif dalam laser ultrafast. Ketika kontrol lebih cepat adalah modulator elektro-optik perlu
digunakan. Namun, ini membutuhkan tegangan yang sangat tinggi (misalnya 10 kilovolt), sedangkan AOMs menawarkan jangkauan lebih lecutan, desain sederhana, dan konsumsi daya rendah (<3 watt).
Gambar 4 : Acousto Optik Modulator
Sebuah modulator acousto-optic terdiri dari transduser piezoelektrik yang menciptakangelombang suara dalam bahan seperti gelas atau kuarsa. Sebuah berkas difraksi cahayadalam beberapa perintah. Dengan bergetar material dengan sinusoida murni dan miring A O M gelombang sehingga cahaya ini tercermin dari suara datar ke difraksi orde pertama, hingga 90% defleksi efisiensi dapat dicapai.
C. Modulator Magneto-Optik
atau fase dari sinyaloptik dua dimensi pada kecepatan tinggi. Baru-baru ini, kami mengembangkan tegangandorong bagi refleksi MOSLM dengan kristal jenis satu dimensi magneto-fotonik (MPC) struktur. The MOSLM didorong
oleh tegangan dari film substrare. Untuk efek piezoeletrik tinggi, film substrate disimpan pada layar refleksi dilakukan dengan perlakuan panas. Oleh karena itu, untuk efisiensi optik tinggi, lapisan refleksi dalam tiperefleksi MPC harus memiliki ketahanan panas yang tinggi.
Sebuah modulator cahaya magneto-optik spasial (MOSLM) adalah dua dimensi e lektrik SLM (spatial light moduator) berdasarkan pada efek magneto-optik yang dikenal sebagai efek Faraday. Efek Faraday adalah properti dari beberapa bahan transparan yang menyebabkan rotasi poparisasi cahaya melintasi melalui zat seperti ketika material terkena medan magnet. Sebuah MOSLM terdiri dari kotak persegi magnetis mesas bistable (piksel) yang dapat digunakan untuk memodulasi insiden cahaya terpolarisasi oleh efek Faraday. Keadaan setiap pixel dapat diaktifkan secara elektrik sehingga pola objek dapat ditulis ke dalam SLM menggunakan komputer. Dengan
demikian, perangkat dapat berfungsi sebagai SLM yang dapat diprogram. Ketika cahaya terpolarisasi linier terjadi pada perangkat , sumbu polarisasi cahaya ditransmisikan akana diputar 45 derajat searah jarum jam magnet bagian sebaliknya, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah. Keadaan magnetisasi sebuah piksel dapat diubah dengan mengirimkan arus listrik untuk dua garis berdampingan. Sebuah analyzer dapat mengubah rotasi polarisasi ke format output berguna jika analisa ini diterapkan pada arah
membuat sudut 45 derajat dengan sumbu polarisasi asli, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini, hanya berlawanan arah jarum jam diputar cahaya dapat melewati analyzer tersebut. Jadi modulasi intensitas atau kecerahan sinar insiden akan diperoleh. Atau, sumbu analyzer dapat diatur tegak lurus dengan yang polarizer itu. Dalam hal ini, cahaya balok melewati magnet piksel dinegara-negara yang berbeda akan memiliki ampitudo output sana tapi akan polarisasi arah yang berlawanan. Dengan kata lain, output dari
magnet piksel dengan negara-negara yang berbeda memiliki perbedaan fasa 180 derajat, yang diinginkan untuk aplikasi tertentu pemrosesan sinyal optik.
Gambar 5 : Operation Of A Moslm As A light Valve
Sebagai keadaan magnetisasi zat yang stabil, pada MOSLM memiliki kapasitas penyi mpa nan . K ead aan dia kti fka n m el alu i a rus li st ri k. Ar us in i da pa t me ngh as il ka n panas, karena kerugian ohmik, yang membatasi kinerja MOSLM. Kecepatan switching dari domain magnetik itu sendiri dalam perangkat tersebut dapat sangat cepat, umumnya urutan puluhan nanodetik. Saat ini, 256 x 256 piksel MOSLM tersedia secara komersial. Jarak 70µm, kecepatan frame ke pusat-pusat antara pi ksel biasanya sekitar 100 -300H z, dan rasio kon tras 300 :1 pada pa nj ang gelombang 633 nm . Kekuranga n utama dari MOSLM
adalah transmitansi yang rendah, yang hanya sekitar 5% untuk ke ba ny ak an panjang gelombang laser.
Sumber Internet :
http://www.youtube.com/watch?v=LU8BsfKxV2k
Simulasi Modulator Optik dengan Kopling antar Dua Pandu Gelombang Modulator optik yang didasarkan dengan kopling antar dua pandu gelombang(wave guide), salah satu pandu gelombangnya bersifat pasif dan tidak absorptif. Pandu gelombang kedua yang diletakkan sejajar pandu gelombang pertama bersifat optik nonlinear(NLO) dengan koefisien NLO orde dua yang besar dan absorptif. Perpindahan energi antar dua pandu gelombang pada ke dua pandu gelombang NLO . Medan listrik tersebut berasal dari sinyal yang akan ditransmisikan.
Setelah melewati tahap penguatan. Medan listrik yang diterapkan mengubah indeks bias pandu gelombang NLO yang melahirkan perubahan fase gelombang yang sedang merambat. Unjuk kerja modulator seperti extinction ratio, insertion loss, drive voltage dan frequency bandwidth dikaji pada berbagai parameter material dan geometri untuk mendapatkan parameter yang optimal. Sehingga diperoleh hasil berupa:
1. Untuk memperbesar extinction ratio dan memperkecil insertin loss, pandu gelomang N LO harus memiliki kons tanda absorpsi
yang dan panjang m odulator t idak t erlalu besar
2. Untuk memperkecil drive volatage maka jarak antar dua pandu gelomang harus kecil dan indeks bias pandu gelombang NLO harus besar.
3. Pemasangan elektroda dengan struktur symmetry coplanar yang memiliki nisbah G/W (jarak antar elektroda dibagi lebar elektroda) yang besar dapat memperbesar bandwidth
4. Pengaruh kehadiran elektroda terhadap perambatan g e l o m b a n g dapat diperkecil dengan menggunakan elektroda yang cukup tebal dari emas atau perak.
Pembangkit Harmonik
Sifat-sifat non linier dalam daerah optis telah didemonstrasi dengan pembangkitan harmonik cahaya. Yang pertama kali diamati oleh Franken dan kawan-kawan dalam tahun 1961. Mereka mengamati cahaya ultraviolet yang
frekuensi dua kali frekuensi laser rubi (λ= 6943 Å), jika cahaya dilewatkan Kristal
kuartz. Percobaan tersebut menarik perhatian yang luas dan ditandai oleh mulainya pengkajian eksperimental dan teoritis dari sifat ptis non linier.
Skema sederhana dari percobaan ditunjukkan dalam gambar 6 :
laser rubi Sel
foto
ω1
ω2=2ω1
ω2
Filter untuk batang kristal filter transmisi Laser rubi kwarsa ultraviolet Gambar 6 : Pembangitan Harmonic Kedua
( sumber B.B.Laud, Hal: 171)
Cahaya laser rubi (λ= 6943 Å) yang mempunyai daya rata
-rata sekitar 10 kW, difocuskan pada lempengan kuartz. Cahaya yang diteruskan dilewatkan melalui filter yang menahan cahaya merah dan melewatkan cahay ultraviolet. Cahay yang lewat jatuh pada sel foto. Dalam cahaya yang lewat diamati bahwapanjang gelombang radiasi (λ= 3471 Å) dan dengan daya 1 mW. Bagaimana dapat
dijelaskan terjadinya perubahan frekuensi ini?
Medium dielektrik kedalam ditempatkan dalam medan listrik akan terpolarisasikan, jika medium tidak mempunyai perpindahan pada frekuensi dari medan. Masing-masing molekulnya bekerja sebagai dwikutup, dengan momen dwikutup tiap satuan volume P sama dengan
P =
∑
(12)dimana penjumlahan dilakukan di seluruh dwikutup dalam volume satuaan. Pengaruh orientasi medan luar pada dwikutup molekul tergantung pada sifat-sifat medium dan pada kuat medan. Jadi dapat ditulis
P = ε
oXE (13)Diamana x adalah polarisabilitas ( kemampuan polarisasi ) atau suseptibilitas dielektrik dari medium.
Hubungan ini hanya berlaku untuk lewat medan sumber-sumber konvensional. Besaran X teta hanya dalam arti bahwa tidak tergantung pada E; besarnya merupakan fungsi frekuensi. Dengan radiasi laser yang cukup kuat
hubungan (13) tidak dapat digunakan lagi dan harus dituliskan lebih umum sebagai berikut
(14)Dimana
sama seperti X dalam persamaan (13); koefisien-koefisien
menentukan derajat ketidaklurusan (non linearitas) dan dikenal sebagai susepsibilitas non linier. Jika medannya tidak kuat, seperti dalam peristiwa cahaya biasa, hanya suku pertama dari ruas kanan persamaan (14) yang berlaku. Oleh sebab inilah optika pra-laser disebut optika linier. Order lebih tinggi. Perlu dicatat, bahwa karakteristik optic dari suatu medium, seperti permitivitas dielektrik, indeks bias dan sebagainya yang tergantung pada suseptibilitas ( sifat mudah terpengaruh ), juga menjadi fungsi dari kuat medan E, jika medan tersebut sangat kuat. Medium, yang polarisasinya dijelaskan olehhubungan non linier dari bentuk (14
) dinamakan “ medium non linier”.
Sekarang dimisalkan, bahwa medan yang jatuh pada medium mempunyai bentuk:
(15) Dengan memasukkan kedalam persamaan (15) kita dapatkan
(16) Dengan menggunakan hubungan trigonometri
;
(17)Dapat kita transformasikan (16) ke bentuk
(18)Suku pertama merupakan suku tetap. Suku ini menaikkan medan Dc lewat medium, yang pengaruhnya praktis relative krang penting. Suku kedua mengikuti polarisasi luar dan dinamakan harmonic pertama atau harmonic dasar
(fundamental) dari polarisasi; suku ketiga berosilasi pada frekuensi 2
dan dinamakan harmonic polarisasi kedua, dan suku keempat dinamakan harmonic polarisai ketiga.Pembangkit Harmonik kedua
Suatu polarisasi yang berosilasi pada frekuensi 2
memancarkan gelombang elektromagnit dengan frekuensi yang sama, yang merambat dengan kecepatan sama dengan gelombang datang. Gelombang yang didapatkan, dengan demikian mempunyai karakteristik pengarahan dan kemonokromatisan yang sama dengan gelombang datang dan dipancarkan arah yang sama. gejala dikenal sebagai pembangkitan harmonic kedua ( SHG, Second Harmonik generati on ).Dalam kebanyakan bahan Kristal, polarisabilitas nonlinear
tergantung pada arah rambatan, polarisasi medan listrik dan orientasi suber optis Kristal. Karena dalam bahan kristalin demikian vector-vektor P dan E tidak harus sejajar. Koefisien X harus dianggap seagai tensor. Polarisasi order kedua dengan demikian dapat dinyatakan oleh hubungan bentuk
∑
(19)Dimana i, j, k menunjukkan koordinat x, y, z. namun, kebanyakan koefisien
sama atau komponen saja.Harus ditekankan disini bahwa pembangkitan harmonic kedua yang dinyatakan oleh (18) hanya berlangsung dalam kristal jenis tertentu. Anggaplah misalnya, Kristal yang isotropis. Dalam hal
. Mempunyai arah bebas dan tetap. Jika sekarang kita balik, arah sumbu ( x
meninggalkan medan listrik dan momen dwikutub ( dipole ) tidak berubah arahnya, tanda-tandanya berubah
∑
(20) Yang berarti
= 0, dan
= 0(yakni Kristal yang simetris terhadap suatu titik). Hanya Kristal yang kurang simetris terbaik yang menunjukkan gejala SHG.
Dalam bahan tidak sentro-simetris ( yakni Kristal anisotropis, seperti Kristal satu sumbu ) terdapat baik suku-suku pangkat dua maupun pangkat tiga. Namun, umumnya, suku pangkat tiga sangat kecil dibandingan dengan suku pangkat dua dan dapat diabaikan.
Untuk benda seperti ini dapat dituliskan
( 21 )Dan medium dikatakan mempunnyai derajat lurus kedua. Sumber Internet :
http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&v=UyPhryTjHhs&NR=1
Persesuaian Fase
Perkembangan pesat dalam penelitian mekanisme pembangitan harmonic optis dalam Kristal dan media dimana pembangkitan demikian dapat dilaksanakan secara efektif, telah menunjukkan pentingnya hubungan fase antara harmonic dasar dan harmonic bangkitan pada saat merambat daam kristal yang mempunyai disperse optis [ 42,97]. Telah diamati bahwa efisiensi pembangkitan harmonic tidak hanya tergantung pada intensitas radiasi, tetapi juga pada arah rambatan dala Kristal.
Misalkan gelombang datar pada frekuensi
dan gelombang harmonic kedua pada frekuensi dan gelombang harmonic kedua pada frekuensi
yang digerakkannya merambat dalam arah–
z lewat bahan panjang L. .Marilah kita cari persamaan untuk intensitas SHG pada permukaan keluar bahan.Jumlah radiasu haronik kedua yang dihasilkan dalam contoh lebar dz terletak pada sumbu z akan sebanding dengan lebarnya dan dengan momen dwikutupada frekuensi b harmonic kedua tiap satuan volume, yang terinduksi
, yakni Pz (2) yang selanjutnya sebanding dengan kuadrat medan listrik E, yaitu:
( )
(22) Kita lihat perubahan spasial dari polarisasi harmonic kedua ditandai oleh angka gelombang 2ki.Radiasi harmonic kedua yang dihasilkan oleh contoh ini pada permukaan keluar Kristal, yakni pada z = L jelas akan sama dengan
(23)Dimana L-z adalah jarak dari contoh ke ujung Kristal dan
adalah angka gelombang rambatan dari radiasi harmonic kedua. Umumnya, k 2
( )(
)
(24)Telah kita misalkan disini bahwa daya yang datang hamper tidak berubah karena berkas merambat lewat Kristal.
Dengan mengintegralkan persamaan (24)
∫
(
)
–
(26)Harga ini akan maksimum jika
, yakni medan dari pembangkitanharmonic kedua aka maksimum, jika
–
(27)Dimana
merupakan indeks–
indeks bias berturut-turut padaω
dan
. Membesarnya harga L diatas ini tidak akan mengakibatkan naiknya harga
. Besarnya L yang diberikan oleh (27) dinamakan panjang koherensi untuk radiasi harmonic keduaPernyataan untuk intensitas adalah
(28)Akan mencapai puncaknya pada
Yakni pada saat
(29) Agar penggandaan frekuensi efisiensi, hubungan ini harus dipenuhi. Persyaratan ini dinamakan criteria persesuaian-fase.Karena
dan
(30)Maka persamaan ( 30 ) menyusust menjadi
Jadi, criteria persesuaian-fase menjadi criteria indeks bias. Agak sulit untuk memenuhi persyaratan ini karena kebanyakan bahan menunjukkan semacam disperse dalam indeks pembiasan.
Penyelesaian yang memuaskan untuk masalah ini adalah menggunaan hubungan antara indeks bias dengan arah dalam kristal. Bahan birefringen mempunyai indeks bias yang berbeda-beda untuk polarisasi cahaya yang berlainan. Hal ini umumnya terjadi dalam kristal simetri rendah. Karena itu kita harus memilih bahan dimana indeks bias untuk sinar luar-biasa pada 2
, sama dengan sinar biasa pada . Hal ini untuk menunjukkan kenyataan, bahwa perubahan frekuensi efektif dalam harmonic kedua dimungkinkan hanya dalam jumlah kristal terbatas.Anggaplah suatu kristal satu-sumber ( uniaxial ) negative, dimana indeks bias untuk sinar biasa lebih besar daripada indeks bias sinar luar biasa. Gambar 7 menunjukkan permukaan
–
permukaan indeks bias ( indicatrix ) untuk kristal tersebut. Garis putus-putus menunjukkan permukaan sesuai dengan
dan garispenuh untuk frekuensi ω. Permukaan indeks bias gelombang luar biasa
berpotongan pada A dan A1. Ini berarti bahwa gelombang-gelombang yang merambat pada arah AA.
A’
A’
A A
Gambar 7. Indicatrix untuk kristal sumbu-sumbu negative
. (32)Jadi, gelombang datang dan gelombang harmonic kedua yang merambat pada arah ini fasenya bersesuaian,
Seperti telah dinyatakan dalam saksi 11, SHG pertama kali dengan berhasil dilaksanakan dalam kuartz. Selanjutnya berhasil dibangkitkan dalam kristal lain seperti : potassium dihidrofosfat (KDP), ammonium dihidrofosfat (ADP), barium, titanat, litium iodat dan sebagainya. Daya puncak harmonic kedua sebesar 200 kW telah diperoleh hanya dengan energy 6 m J dalam satu pulsa [288]. Efisiensi konversi sekitar 15
–
20% telah diperoleh pada rapat daya masuk sekitar 100 MW cm-2SHG juga berhasil dilaksanakan dalam gas [ 4, 15, 307 ] dalam semi konduktor [ 13, 102 ]. Sangat menarik untuk dicatat bahwa SHG telah dimati dalam kalsit ( calsite ) yang merupakan fungsi medan listrik d-c, walaupun kristal memiliki pusat inverse. Hal ini disebabkan medan listrik meniadakan simetris [287].
Pentingnya pmbangkitan harmonik kedua (SHG) adalah pada kenyataan bahwa ini merupakan metode prinsip pengubahan efetif dari radiasi inframerah
menjadi radiasi tampak menjadi ultraviolet. Mekanisme pembangkitan harmonic kedua telah diteliti secara teoritis dengan cermat [12, 43, 160, 161, 165, 176, 191].
Pembangkitan Harmonik ketiga
Seperti telah dijelaskan dalam seksi pembangkit harmonik kedua , dalam peristiwa bahan sentro simetris, persamaan (13) akan hilang suku-suku dengan pangkat genap dari E dan akan menyusut menjadi
(33) Atau dalam notasi vectorPembangkitan harmonic ketiga ( THG = third harmonic generation ), dengan demikian mungkin terjadi dalam kristl tang menunjukkan simetri terbalik. Pengembangan laser tersambung
–
Q memung kinkan menghasilkan harmonic ketiga dalam kristal [ 28, 204 ]. Namun, dalam kalsit efisiensi pengubahan energy maksimum untuk harmonic ketiga hanya 0,01 %.Percobaan untuk mengamati harmonic ketiga juga telah dilakukan oleh Maker dan terhune [205] dengan menggunakan laser pulsa raksasa. Zwernemann dan beeker [322] telah mengamati secara ekperimental pembangkitan harmonic k
etiga ( THG ) pada 9,33 μm d
alam CO dengan interaksi yang terjadi dalam pemandu gelombang ( waveguide). Mereka telah mengutarakan penentuan teoritis pemandu gelombang yang paling cocok dimana interaksi dapat berlangsung.Proses pembangkitan harmonic order lebih tinggi dapat dijelaskan dengan cara yang sama.
Sumber Internet :
http://www.youtube.com/watch?v=f0j2iw6KOfM
Pencampuran Optis
Dalam persamaan untuk polarisasi non-linear Persesuaian fasa, telah kita misalkan bahwa faktor E2 dalam suku kedua merupakan hasil kali kuat medan listrik dengan dirinya sendiri, E. E. namun, suku tidak terpolarisasi demikian
dapat pula terjadi dari interaksi dua medan dengan frekuensi berbeda ω
1dan ω
2melewati benda. Medan efektif dengan benda sama dengan
(35)Dengan memasukkan harga ini kedalam persamaan (13), suku kedua menjadi
=
) +
cos
(36) Dengan menggunakan hubungan trigonometri2 cos
Kita dapat menyatakan suku terakhir menjadi
cos
=
(37)Ini menunjukkan, bahwa polarisasi nonlinear, karena itu, radiasi yang dipancarkan mempunyai frekuensi
. Konversi energy antara berkas-berkas dapat terjadi pada jarak yang cukup jika berkas-berkas merambat menurut arah yang sama dan dengan kecepatan yang sama.Frekuensi jumlah dan selsisih dapat diamati secara eksperimen. Pembangkitan frekuensi optis selisih pertama kali diamati dengan mencampurkan berkas cahaya dari laser rubi dengan zat dengan berkas tidak koheren (incoherent) dari lampu air
–raksa (λ = 3115 Å). Efisiensi dimana terjadi frekuensi selisih
diabaikan dengan dya dalam berkas air raksa sekitar 2 x 10 -4 W, daya yang dipancarkan pada frekuensi selisih sekitar 10-10 W. pencampuran optis dari pancaran dua laser rubi dengan frekuensi-frekuensi yang berbeda pertamakalidiamati oleh franken dan teman-temannya.
Suku pertama persamaan (26), disamping sebagai pengganda ferkuensi, juga meunjukkan suku arus-searah (27). Bass dan kawan-kawan mengamati pula
dc sekitar 200 μV jika radiasi 1 MW dilewatkan melalui kristal KDP. Jumlah dari
frekuensi dari dua laser rubi pada temperature berbeda diamati oleh Bass dan kawan-kawan [28] dari laser rubi dan laser neodium oleh Miller dan Savage.
Diatas hanya dianggap suku pangkat dua dalam persamaan. Dalam keadaan yang lebih umum, persamaan polarisasi memasukkan suku-suku dengan
suku-suku pangkat lebih tinggi, menghasilkan persamaan yang mengandung suku-suku-suku-suku dengan frekuensi
, dimana m dan n bilangan-bilangan bulat. Ini menunjukkan bahwa disamping frekuensi jumlah dan frekuensi selisih, dimugkinkan jenis percampuran frekuensi lain.Sepert dalam peristiwa pembagkitan harmonic kedua, kondisi persesuaian fase juga penting dalam pencampuran frekuensi. Kenyataannya, hal ini lebih rumit dalam peristiwa terakhir, karena jumlah frekuensi yang ikut serta. Dalam pembangkitan harmonic kedua, diperlukan mengetahui arah dalam kristal sedemikian sehingga k1 = k2. Dalam hal frekuensi jumlah atau frekuensi-selisih, tiga gelombang harus bersesuaian. Jika
Persyaratan yang harus dipenuhi adalah
Beberapa Aplikasi Optik Nonlinier
Nonlinier order-2
Material yang hanya memiliki sifat optik nonlinier order-2, bila material
tersebut disinari cahaya dengan medan listrik E=Eω cos ωt, maka polarisasi
yang terjadi pada material:
P = χ
(1)Eω cos ωt + ¼ χ
(2)Eω
2[cos 2ωt + 1]
(38)
Terlihat bahwa sebagai efek dari suseptibilitas order-2, polarisasi mengandung bagian medan dan bagian berosilasi denagn frekuensi 2 disamping bagian yang berfrekuensi. Bagian yang berosilasi dengan frekuensi
2 akan menginduksikan cahaya berfrekuensi sama. Ini yang disebut second harmonic generation (SHG).
Jika material dikenai sekaligus oleh medan listrik dan berosilasi dengan:
E=Edc
+ Eω cos ωt
(39)Maka suseptibilitas order-2 memberikan sumbangan tehadap suseptibilitas linier yakni:
χ
(1)+ χ
(2)Edc (40)
sehingga indeks biasnya bergantung pada medan Edc.. hal ini yang disebut
dengan efek elektrooptik atau Pockel yang memberi peluang terhadap proses modulasi cahaya.
Prinsip modulasi dilukiskan dalam gambar 2 berikut ini
Gambar 8 : Prinsip Modulasi Cahaya dengan dc/audio
Selanjutnya andaikan dua berkas cahaya masing-masing Es
cos ω
stdan E p
cos ω
pt dengan ω
p> ω
s, menyinari material. Secara serentak, keduamedan itu akan menimbulkan polarisasi yang berkaitan dengan order-2 yakni:
½ χ
(2)Maka yang selanjutnya menginduksikan medan listrik di dalam material: E1
χ
(2) E pEscos ω
1t (42)Dimana ω
1= ω
p -ω
sSehingga mengakibatkan medan ini bersama medan E p
cos ω
p takan menginduksikan polarisasi
χ
(2) I p Escos ω
st , dengan I p adalahintensitas cahaya E p. Polarisasi ini selanjutnya menginduksi medan:
Eo
χ
(2) I pEscos ω
s t (43)Jadi cahaya Es
cos ω
st akan dilewatkan melalui material dengansuatu faktor penguatan yang bergantung pada suseptibilitas order-2 material damn intensitas I p dari medan E p
cos ω
pt. Hal ini dapat diperlihatkan dalamgambar 9.
Gambar 9 : Mekanisme Amplikasi Cahaya
Nonlinier Order-3
Material yang memiliki suseptibilitas order-3 bila disinari cahaya dengan
1/6 χ
(3)Eω
(3)[3/4 cos ω t + ¼ cos 3 ω t]
(44)
Maka suku kedua dari polarisasi itu akan menginduksikan medan berfrekuensi 3 kali. Peristiwa ini disebut third harmonic generation (THG). Suku pertama bersifat linier, dan itu memberi sumbangan terhadap suseptibilitas linier:
χ
(1)+ 1/8 χ
(3)Eω
2(45)
Jika no adalah indeks bias sebelumnya, maka dalam keadaan dilalui cahaya
berintensitas 1 (
Eω
2) indeks bias itu bergeser menjadi:n = no + n2I (46)
dengan n2
merupakan parameter yang bergantung pada χ
(3) dari material.Indeks bias yang bergantung intensitas cahaya tersebut merupakan dasar bagi rekayasa devais untuk switching.
Sedangkan gambar 4b, memperlihatkan hubungan antara intensitas transmisi dan intensitas masukan. Selanjutnya dengan menggunakan gabungan medan dc Edc
dan medan Eω cos ωt, polarisasi yang berkaitan
dengan nonlinier order-3 mengandung:
½ χ
(3)E
ω E
dc2cos ωt
(47)Dengan demikian suseptibilitas linier berubah menjadi:
χ
(1)+ ½
χ
(3) Eω
2 (48)sehingga indeks bias bergantung pada Edc2. Peristiwa ini dikenal sebagai efek
elektrooptik kuadratik atau efek Kerr . Disamping sebagai modulator, efek ini merupakan dasar optikal shutter atau switching dan directional coupler . Seperti diperlihatkan dalam gambar 5 di bawah ini.
Gambar 10 : Mekanisme Directional Coupler Sumber Internet :
http://www.youtube.com/watch?v=QBiSYQsGTLA&feature=related
Gelombang Medan
Elektromagnetik dalam media
nonlinier dan anisotropik
Persamaan Maxwell untuk medan elektromagnetik di dalam suatu medium non-
konduktif tanpa sumber ρ = 0, J = 0.s
Dimana: D =Ԑ
oE + P H= μ
o-1(B -μ
oM)J = σE
Persamaan gelombang yang diperoleh:
Jika respons magnetik diabaikan, M
0, maka B
H, dan
Perhatikan bahwa pada umumnya
Begitu pula untuk medan H pada umumnya medium anisotropik atau medium nonlinier, karena
Hanya berlaku untuk kasus khusus.
Untuk medium anisotropik atau medium nonlinier
