OPTIMALISASI PEMBANGKITAN
TUNABLE
GELOMBANG
MIKRO MENGGUNAKAN
OPTICAL AMPLIF IER
PADA DFB LASER
SKRIPSI
BAMBANG HERDIANSYAH
110801041
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN
TUNABLE
GELOMBANG
MIKRO MENGGUNAKAN
OPTICAL AMPLIF IER
PADA DFB LASER
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
BAMBANG HERDIANSYAH 110801041
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIF IER PADA DFB LASER
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2015
PENGHARGAAN
Alhamdulillah, puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang karena berkat rahmat dan nikmat-Nya penulis dapat menyelesaikan penelitian hingga penulisan skripsi ini yang berjudul “Optimalisasi Pembangkitan Tunable Gelombang Mikro Menggunakan Optical Amplifierpada DFB Laser”. Shalawat dan salam kita hantarkan kepada Rasulullah SAW serta kepada Keluarga dan para Sahabatnya.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian skripsi ini melibatkan berbagai pihak baik itu doa, dukungan, motivasi, bimbingan dan lain sebagainya. Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis menyampaikan rasa hormat serta mengucapkan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Dr. Sutarman, M.Sc selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng selaku Kepala Pusat Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Serpong Tangerang Selatan.
3. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang, selaku Ketua Departemen Fisika FMIPA-USU dan dosen pembimbing pertama yang turut meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan dan pemahamannya terhadap hasil penelitian skripsi ini kepada penulis.
4. Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku Sekretaris Departemen Fisika FMIPA-USU dan seluruh pegawai di Departemen Fisika yang telah memberikan bantuan dari segi kelancaran urusan administrasi kepada penulis.
5. Bapak Wildan Panji Tresna, S.Si. M.T dari Pusat Penelitian Fisika-LIPI selaku dosen pembimbing kedua yang telah berkontribusi dalam pemeriksaan isi, analisa data dan juga turut menuangkan pikirannya kepada penulis terkait pembahasan penelitian skripsi ini.
6. Bapak Iyon Titok Sugiarto, S.Si. M.T dan Nursidik Yulianto, S.Si serta
Andi Setiono, S.Si dari Pusat Penelitian Fisika-LIPI yang telah
memberikan arahan dan bimbingan sehingga penulis mampu mendalami bidang optoelektronika dan laser.
juga rasa terima kasih teruntuk kepada Tanty Yuliah A.md yang senantiasa memberi dukungan, doa, dan pikiran positif kepada penulis.
8. Sahabat di Departemen Fisika angkatan 2011 : Adimas Agung, Fauzi Handoko, Khairuddin, Tirto Adhiatma Syahid, Zikri Noer dan seluruh sahabat yang tidak dapat penulis disebutkan satu per satu. Terima kasih atas saran dan dukungannya.
Penulis sangat berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan memberikan sumbangsih untuk kemajuan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi (IPTEK) di Indonesia. Kritik dan saran selalu terbuka untuk perbaikan penulisan skripsi ini di masa mendatang.
Medan, Juli 2015
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIF IER PADA DFB LASER
ABSTRAK
Frekuensi yang berada pada rentang gelombang mikro dapat dimanfaatkan untuk berbagai keperluan komponen RADAR seperti ground penetrating, sistem radio on fiber dan lain sebagainya sehingga tunabilitas dan power sebuah sumber frekuensi adalah hal yang sangat penting. Gelombang mikro dengan frekuensi yang dapat ditala (tunable) telah dibangkitkan yang memanfaatkan beat signal
(pelayangan) hasil mixing dua laser dioda jenis DFB (Distributed Feedback) dengan menggunakan teknik optical heterodyne. Dari hasil pengamatan dapat dikatakan bahwa dengan mengubah temperatur salah satu laser maka sinyal gelombang mikro yang terbangkit dapat ditala. Laser DFB 2 diatur agar arus dan temperaturnya konstan, sedangkan laser DFB 1 ditala temperaturnya sehingga panjang gelombangnya mendekati panjang gelombang laser DFB 2. Frekuensi gelombang mikro maksimal yang mampu terdeteksi adalah sebesar 8,432 GHz karena keterbatasan range pembacaan RF Spectrum Analyzer. Dari hasil penelitian ini diperoleh rata-rata perubahan frekuensi gelombang mikro sebesar 791 MHz untuk setiap perubahan 1 ℃. Karakterisasi daya optis dan panjang gelombang laser terhadap parameter yang berpengaruh yaitu temperatur dan arus injeksi laser telah dilakukan sebagai pengujian awal. Frekuensi gelombang mikro terbangkitkan dapat dioptimalisasi dengan menggunakan optical amplifier yang mampu menguatkan daya optis sinyal masukan dari laser dioda. Semakin besar arus maka daya optis laser juga semakin meningkat. Nilai minimum daya optis yang dihasilkan sebesar 0,06 mW pada arus 10,8 mA dengan nilai SNR (Signal to Noise Ratio) 45,51 dB dan nilai maksimum 0,9 mW pada arus 20 mA dengan nilai SNR 56,55 dB. Sedangkan dengan penambahan opticalamplifier, daya optis laser meningkat secara signifikan dengan nilai minimum sebesar 13,5 mW pada arus 10,8 mA dengan SNR 38,9 dB dan maksimum 16,8 mW pada arus 20 mA dengan nilai SNR 51,59 dB. Nilai SNR yang lebih besar adalah yang lebih baik, hasil ini menunjukkan bahwa SNR akan selalu terdegradasi sebagai sinyal setelah melewati komponen microwave, artinya penguatan ini juga meningkatkan noise.
OPTIMALIZATION OF TUNABLE MICROWAVE GENERATOR BY USING OPTICAL AMPLIF IER OF DF B LASER
ABSTRACT
Frequency in the range of microwaves can be used for various purposes RADAR components such as ground penetrating, radio on fiber systems etc. so that tunability and power frequency source is a very important thing. Tunable microwaves frequency has been able to be generated by utilizing beat signal of mixing of two DFB (distributed feedback) laser diode with optical heterodyne technique. The observation result showed that tunneling one of the laser temperature cause generated microwaves signal able to be tuned. DFB 2 laser set in fix current and temperature, whereas temperature of DF B 1 laser is tuned until its wavelength close to DFB 2 laser wavelength. Maximum frequency of microwaves detected is 8,432 GHz due to limitations range of reading RF Spectrum Analyzer. As the result, the rate of the average change of microwaves frequency is 791 MHz for each temperature change of 1℃. Characterisation of optical power and laser wavelength versus its influent parameters i.e. temperature and laser injection current has been done as initial testing. Generated microwaves frequency able to be optimized by optical amplifier which has ability to gain input signal of optical power from laser diode. The more current produce more optical power laser. Minimum value of the optical power is 0,06 mW of 10,8 mA current and Signal to Noise Ratio (SNR) value 45,51 dB and maximum value is 0,9 mW of 20 mA current and SNR value 56,55 dB. Whereas by addition of optical amplifier, the power of optical laser increase significantly with minimum value 13,5 mW of 10,8 mA current and SNR value 51,59 dB. The larger the SNR value is the better, this result means showed that the SNR will always be degraded as the signal passes through any microwave component, it is mean that this gain is amplify the noise too.
DAFTAR ISI
1.2. Perumusan Masalah 2 1.3. Pembatasan Masalah 2 1.4. Tujuan Penelitian 3 1.5. Manfaat Penelitian 3 1.6. Lokasi Penelitian 3
BAB 2 Tinjauan Pustaka
2.1. Gelombang Elektromagnetik 4 2.2. Frekuensi Gelombang Mikro 5 2.3. Superposisi Dua Gelombang, Beats 6 2.4. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation)
8
2.4.1. Definisi Umum Laser 8 2.4.2. Generasi dan Rekombinasi pada Kesetimbangan
Thermal 11 2.5. Laser Semikonduktor (Laser Dioda) 11 2.5.1. Panjang Gelombang Bandgap 12 2.5.2. DFB (Distributed Feedback) Laser Dioda 13 2.6. Teknik Heterodyne Optik 14
2.7. Serat Optik 14 2.8. Pembawa Sifat Cahaya (Fiber Coupler) 19 2.9. Amplifikasi Optik (EDFA) 20
BAB 3 Metodologi Penelitian
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian 23 3.2. Peralatan Penelitian 23 3.2.1. Laser Dioda (Distributed Feedback) 23 3.3. Tahapan Penelitian 31 3.4. Perancangan Diagram Blok Sistem 32 3.5. Pengujian Stabilisasi Laser 33
BAB 4 Hasil dan Pembahasan
4.1. Pengujian Kestabilan Laser 37 4.1.1. Hasil Karakterisasi Perubahan Arus Injeksi
terhadap Daya Optis (Intensitas) Laser 37 4.1.2. Hasil Karakterisasi Perubahan Panjang
Gelombang Laser terhadap Temperatur 39 4.2. Hasil Karakterisasi Perubahan Daya Optis terhadap
Arus Injeksi Sebelum dan Sesudah Menggunakan
Optical Amplifier 41 4.3. Pengaruh Optical Amplifier terhadap Penguatan (Gain)
sebagai Fungsi dari Daya Sinyal Keluaran 42 4.4. Pengaruh SNR (Signal to Noise Ratio) terhadap Arus
Injeksi Sebelum dan Sesudah Menggunakan Optical
Amplifier 43
4.5. Analisa Spektrum Optik dan Radio Frequency 44 4.6. Hasil Frekuensi Pelayangan (Beat Signal) 46
BAB 5 Kesimpulan dan Saran
5.1. Kesimpulan 48
5.2. Saran 49
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
2.1 Frekuensi Band Gelombang Mikro 5 2.2 Analisa regresi linier panjang gelombang terhadap
DAFTAR GAMBAR
Nomor Gambar
Judul Halaman
2.1 Spektrum Gelombang Elektromagnetik 4
2.2 Beats Frequency (terbentuk clumps) 7
2.3 Beats yang disebabkan oleh superposisi dari dua
gelombang dengan frekuensi yang berbeda 8 2.4 Mekanisme rekombinasi yang berbeda dalam sistem dua
level energi 10
2.5 (a) Generasi dan rekombinasi elektron-lubang, (b)
Rekombinasi elektron-lubang melalui trap 11 2.6 (a) Dioda semikonduktor tanpa tegangan bias, (b) Dioda
semikonduktor dengan tegangan bias maju
12
2.7 DFB laser memiliki lapisan periodik yang bertindak sebagai pemantul terdistribusi
13
2.8 Heterodyne optis dua gelombang optik 14 2.9 Struktur dasar serat optik 15 2.10 Proses masuknya cahaya ke dalam serat optik 16 2.11 Serat optik single mode (monomode) 17 2.12 Serat optik grade index multimode 18 2.13 Serat optik step index multimode 18
2.14 Optical coupler 19
2.15 Konfigurasi EDFA 20
3.1 Laser dioda DFB 24
3.2 OEM Laser diode & temperature controllers 24
3.3 Optical spectrum analyzer (OSA) 25
3.4 Diagram blok optical amplifier 26
3.5 Optical amplifier (EDFA) 27
3.6 Dual window wideband coupler (2×1) 27
3.7 Kabel serat optik single mode 28 3.8 Diagram blok HSPD dan amplifier 29
3.9 High speed photodetector 29
3.10 Radio frequency spectrum analyzer (RFSA) 30 3.11 Diagram alir penelitian 31 3.12 Diagram blok sistem 32 3.13 Karakterisasi daya optis dan panjang gelombang laser
terhadap arus dan temperatur tanpa menggunakan optical
amplifier 34
3.14 Karakterisasi daya optis laser terhadap arus dan
temperatur dengan menggunakan optical amplifier 34 3.15 Diagram blok karakterisasi panjang gelombang dan daya
optis laser sebelum dan sesudah menggunakan optical
3.16 Diagram sistem pembangkitan gelombang mikro sebelum
dan sesudah menggunakan optical amplifier 36 4.1 Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi 37 4.2 Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi untuk
setiap temperatur yang berbeda 38 4.3 Grafik hubungan perubahan panjang gelombang laser
dioda terhadap perubahan temperatur 39 4.4 Grafik hubungan perubahan panjang gelombang terhadap
perubahan temperatur untuk setiap arus yang berbeda 40 4.5 Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi sebelum
dan sesudah menggunakan optical amplifier 42 4.6 Grafik hubungan gain terhadap daya sinyal keluaran laser 43 4.7 Grafik hubungan SNR terhadap arus injeksi sebelum dan
sesudah menggunakan optical amplifier 44 4.8 Spektrum pencampuran dua laser DFB pada OSA 45 4.9 Spektrum frekuensi gelombang mikro yang terbangkit
pada RFSA 45
4.10 Grafik hubungan frekuensi gelombang mikro terhadap
DAFTAR SINGKATAN
DFB = Distributed Feedback
EDFA = Erbium Doped Fiber Amplifier
FC/PC = Fiber Connector/Physical Contact
Gb/s = Gigabit/sekon GHz = Giga Hertz
HSPD = High Speed Photo Detector
IPTEK = Ilmu Pengetahuan dan Teknologi kHz = kilo Hertz
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LED = Light Emitting Diode
LIPI = Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia
Log = logarithmic
NA = Numerical Aperture
Nm = Nanometer
OA = Optical amplifier
OSA = Optical Spectrum Analyzer
PD = Photodiode
PM = Polarization Maintaining
P2F = Pusat Penelitian Fisika RADAR = Radio Detection and Ranging
RF = Radio Frequency
RFSA = Radio Frequency Spectrum Analyzer
SMF = Single Mode Fiber
SMFC = Single Mode Fiber Coupler
TEC = Thermo Electric Cooler
THz = Tera Hertz V = Volt W = Watt
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Lampiran
Judul Halaman
1 Tabel data karakterisasi perubahan daya optis laser
terhadap arus injeksi pada temperatur T = 47,3 ℃ 52 2 Tabel data karakterisasi perubahan daya optis laser
terhadap arus injeksi untuk setiap temperatur yang
berbeda 53
3 Tabel data perubahan panjang gelombang laser terhadap
temperatur pada arus injeksi I = 12 mA 54 4 Tabel data perubahan panjang gelombang laser terhadap
temperatur untuk setiap arus injeksi yang berbeda 55 5 Tabel data karakterisasi optical amplifier 55 6 Tabel data SNR terhadap arus injeksi sebelum dan
sesudah menggunakan optical amplifier 56 7 Tabel data frekuensi gelombang mikro terbangkitkan
terhadap temperatur sebelum dan sesudah menggunakan
optical amplifier 57
8 Tabel data hubungan gain terhadap daya sinyal keluaran
laser menggunakan Optical Amplifier 57 9 Gambar spektrum frekuensi gelombang mikro yang
