SEMINAR TUGAS AKHIR. Yasin Agung Sahodo PEMBIMBING Prof. Dr. rer. nat Agus Rubiyanto, M. Eng. Sc.

(1)

S E R A T O P T I K R I N G R E S O N A T O R M E N G G U N A K A N M E T O D E T R A N S F E R M A T R I K U N T U K S E N S O R F I B E R O P T I K G Y R O S K O P

SEMINAR TUGAS AKHIR

Yasin Agung Sahodo

1108100001

PEMBIMBING

(2)

Latar Belakang Tujuan Perumusan Masalah Batasan Masalah Manfaat

(3)

1. Pengembangan sensor berbasis serat optik

2. Pemanfaatan sensor serat optik untuk gyroskop 3. Metode meningkatkan sensitivitas sensor

(4)

1. Analisa Serat Optik RingResonator

dengan variabel satu input, dua input yang berlawanan, dan dua input yang searah

(5)

1. Bagaimana Hasil Analisa Serat Optik ring resonator

2. Bagimana mengoptimalkan Serat Optik ring resonator sebagai gyroskop

(6)

1. Jenis Serat Optik Moda-Moda Tunggal 𝜆 = 1,55 𝜇𝑚

2. Sensitivitas resolusi gyroskop 0,01 ° ℎ 3. Panjang lilitan ring resonator 𝐿 = 10 𝑚

dan jari-jari 𝑅 = 5 𝑐𝑚

(7)

parameter awal untuk memfabrikasi serat optik ring resonator yang

(8)

I 𝜓𝑏 𝛽𝑎 𝜓𝑎 II 𝛽𝑏 │A (z)│2 │B (z)│2 𝐴 𝑧 = cos 𝜅𝓁 (1) 𝐵 𝑧 = −𝑗 sin 𝜅𝓁 (2) 𝜅 : konstanta coupler

𝓁 : Panjang daerah coupler

Directional Coupler

Struktur Serat Optik

Ring Resonator

Gyroskop Serat Optik

(9)

𝐸_𝑜1 𝐸_𝑜2 = 1−𝛾 1− 1−𝛾 𝛼𝑒𝑗𝜃_𝑡₁_𝑡₂ 𝑡₁ 0 𝑘₁𝛼12𝑒 𝑗𝜃 2 0 𝛼12𝑘₂ 0 × 1 1 − 𝛾𝑘₁ 𝑘₁ 1 − 𝛾 𝛼12𝑒 𝑗𝜃 2𝑡₂ 𝐸_𝑖

(5)

𝑡_𝑖 = cos 𝜅_𝑖𝓁_𝑖 (3) 𝑘_𝑖 = −j sin 𝜅_𝑖𝓁_𝑖 (4)

Directional Coupler

Struktur Serat Optik

Ring Resonator

Gambar 2. Struktur serat optik ring resonator satu input

Gyroskop Serat Optik

Modulasi Frekuensi

(10)

𝐸_𝑜1 𝐸_𝑜2 = 1−𝛾 1− 1−𝛾 𝛼𝑒𝑗𝜃𝑡₁𝑡₂ 𝑡₁ 0 0 𝑡₂ 0 𝛼 1 2𝑒 𝑗𝜃 2𝑘₁ 𝛼12𝑒 𝑗𝜃 2𝑘₂ 0 × 1 0 0 1 𝑘₁ 1 − 𝛾𝛼12𝑒 𝑗𝜃 2𝑘₂𝑡₁ 1 − 𝛾𝛼12𝑒 𝑗𝜃 2 𝑘₁𝑡₂ 𝑘₂ 𝐸_𝑖1 𝐸_𝑖2

(6)

Directional Coupler

Struktur Serat Optik

Ring Resonator

Gambar 3. Struktur serat optik ring resonator dua input berlawanan 𝑡_𝑖 = cos 𝜅_𝑖𝓁_𝑖 (3)

𝑘_𝑖 = −j sin 𝜅_𝑖𝓁_𝑖 (4)

Gyroskop Serat Optik

Modulasi Frekuensi

(11)

𝐸₀₁ 𝐸₀₂ = 1 − 𝛾 𝑡₁ 𝑡₂ 𝐸𝐸𝑖1_𝑖2 + 𝕂 𝑘1𝛼 1 2𝑒 𝑗𝜃 2 𝑘₂𝛼12𝑒− 𝑗𝜃 2 𝑘₁ 𝑘₂ 1 1 𝐸_𝑖1 𝐸_𝑖2 𝑡₂𝛼12𝑒 𝑗𝜃 2 𝑡₁𝛼12𝑒− 𝑗𝜃 2

(7)

𝕂 = 1−𝛾 1− 1−𝛾 𝛼12_𝑒𝑗𝜃 _𝑡₂_𝛼12_𝑒𝑗𝜃2_+𝑡₁_𝛼12_𝑒−𝑗𝜃2 (8)

Directional Coupler

𝑡_𝑖 = cos 𝜅_𝑖𝓁_𝑖 (3) 𝑘_𝑖 = −j sin 𝜅_𝑖𝓁_𝑖 (4)

Gambar 4. Struktur serat optik ring resonator dua input searah

Gyroskop Serat Optik

Modulasi Frekuensi

(12)

𝜏 = 2𝜋𝑅_𝑐 (8) Δ𝐿 = 𝐿_𝐶𝑊 − 𝐿_𝐶𝐶𝑊 = 2Ω𝑅𝜏 = 4𝜋Ω𝑅_𝑐 2 (9) Δ𝑡 = Δ𝐿_𝑐 = 4𝜋Ω𝑅_𝑐₂ 2 (10) Δ𝜙 = Δt2𝜋𝑐_𝜆 = 8𝜋_𝑐𝜆2𝑅2𝑘Ω (11)

Directional Coupler

_{Gyroskop Serat Optik}

Gambar 5. Struktur tranduser serat optik ring resonator sebagai gyroskop berbasis Efek Sagnac

Modulasi Frekuensi

(13)

Directional Coupler

_{Gyroskop Serat Optik}

Modulasi Frekuensi

Gambar 6. Modulasi Frekuensi Gambar 7. Modulasi Amplitudo

Narrowband

𝑒_𝐹𝑀 𝑡 = 𝐸_𝑐𝑠𝑖𝑛 ω_𝑐𝑡 + 𝑚_𝑓𝑐𝑜𝑠𝜔_𝑀𝑡 (12)

Syarat Modulasi narrowband 𝑚_𝑓 ≪ 1 𝑒_𝐹𝑀 : fungsi gelombang

𝐸𝑐 ∶ amplitudo gelombang carrier

ω𝑐 : kecepatan sudut gelombang carrier

𝜔_𝑀 : kecepatan sudut gelombang modulasi 𝑚_𝑓 ∶ adalah indeks modulasi

𝑚_𝑓 = _𝑓𝛿𝑓

𝑚 (13)

𝛿𝑓 : deviasi modulasi 𝑓_𝑚 : frekuensi modulasi

Struktur Serat Optik

Ring Resonator

(14)

𝜆 = 1,55 𝜇𝑚 𝐿 = 10 𝑚 𝑅 = 5 𝑐𝑚 Ω = 0,01 ° ℎ Directional coupler 50 :50 𝑃_𝑧=0 = 𝐴 𝑧 2_−𝑗2_{𝐵 𝑧} 2 ₍₁₄₎ 𝐴 𝑧 = cos 𝜅𝓁 (15) 𝐵 𝑧 = −𝑗 sin 𝜅𝓁 (16) Maka 𝜅𝓁 = 45 ° Parameter Simulasi Δ𝜙 = 8𝜋_𝑐𝜆2𝑅2𝑘ΔΩ (17) 𝐼 = 𝐸_𝑜𝑢𝑡𝐸_𝑜𝑢𝑡∗ (18) 𝛽𝐿 = 𝑚𝜋 (19) 𝐼 𝛼, 𝛾 (20) 𝛽𝐿 = 𝑀𝑐𝑜𝑠 𝜔_𝑚𝑡 + 𝜙_𝑐 ΔΩ (21) 𝑀 = 𝛿𝑓𝑚 𝑓_𝑚 (22) 𝐼 𝑡, ΔΩ (23) Parameter Sistem Fiber Optik Gyroskop , , , Ring Resonator Indeks Bias Coupler (50:50) Fungsi Intensitas Respon (Grafik)

Fungsi Modulasi Frekuensi

° ℎ Respon Resolusi Tidak Optimal Optimal Tidak Optimal

(15)

Fungsi Transfer Daya pada FORR

𝐼_𝑜1 = 1 − 𝛾 𝑡12𝑡22𝑘14 1−𝛾 2𝛼2+2𝑡1𝑘12 1−𝛾 𝛼 cos 𝜃

1+ 𝑡₁𝑡₂ 1−𝛾 𝛼 2_−2𝑡₁_𝑡₂ _{1−𝛾 𝛼 cos 𝜃} (24)

𝐼_𝑜2 = 1 − 𝛾 𝑘1𝑘2 2 1−𝛾 2𝛼

1+ 𝑡₁𝑡₂ 1−𝛾 𝛼 2−2𝑡₁𝑡₂ 1−𝛾 𝛼 cos 𝜃 (25)

Gambar 2. Struktur serat optik

(16)

𝐼_𝑜1 = 1 − 𝛾 2 𝑡₁2+ 𝑘₁𝑘₂𝛼 2+ 1−𝛾𝛼𝑘₁2𝑘₂𝑡₂ 2 +𝑡₁𝑘₁𝑘₂ 𝛼2 cos 𝜃₂ +𝑡₂𝑘₁3𝑘₂2 1−𝛾𝛼32 +𝑡₁𝑡₂𝑘₁2𝑘₁𝛼 1−𝛾2cos 𝜃 1+ 𝑡₁𝑡₂ 1−𝛾 𝛼 2 −2𝑡₁𝑡₂ 1−𝛾 𝛼 cos 𝑡𝑒𝑡𝑎 (26) 𝐼_𝑜2 = 1 − 𝛾 2 𝑘₁𝑘₂𝑡₂ 𝛼 +𝑘₁𝑘₂3𝑡₁ 1−𝛾𝛼33_{2 cos} 𝜃 2 +𝑘₂2𝑡₁𝑡₂ 1−𝛾𝛼2 cos 𝜃 + 𝑘₁𝑘₂ 2𝛼𝑡₂2+ 𝑘₂2𝑡₁𝛼 1−𝛾 2 1+ 𝑡₁𝑡₂ 1−𝛾 𝛼 2 −2𝑡₁𝑡₂ 1−𝛾 𝛼 cos 𝑡𝑒𝑡𝑎 (27)

Gambar 3. Struktur serat optik

ring resonator dua input

berlawanan

(17)

𝐼01 = 1 − 𝛾 𝑡12 + 1 − 𝛾 𝑘1𝛼 1 2 𝐴 𝐵+ 𝐶 𝐷 + 1 − 𝛾 𝑘1 2 𝛼 _𝐵𝐴×_𝐷𝐶 (28) 𝐼02 = 1 − 𝛾 𝑡22 + 1 − 𝛾 𝑘2𝛼 1 2 𝐴 𝐵 + 𝐶 𝐷 + 1 − 𝛾 𝑘2 2 𝛼 𝐴_𝐵 ×_𝐷𝐶 (29) 𝐴 𝐵+ 𝐶 𝐷 = 2 𝑘₁+ 𝑘₂ + 𝛼12 𝑡₁ − 𝑡₂ 2𝑐𝑜𝑠 𝜃 2 − 1 − 𝛾 𝛼12 𝑘₁+ 𝑘₂ 𝑡₁+ 𝑡₂ 2𝑐𝑜𝑠 𝜃₂ + 𝛼12 2 𝑡₁2+ 𝑡₂2+ 𝑡₁𝑡₂ 2𝑐𝑜𝑠 𝜃 1 + 1 − 𝛾 𝛼12 2 𝑡₁2+ 𝑡₂2+ 𝑡₁𝑡₂ 2𝑐𝑜𝑠 𝜃 − 2 1 − 𝛾 𝛼12 𝑡₁+ 𝑡₂ 2𝑐𝑜𝑠 𝜃 2 𝐴 𝐵× 𝐶 𝐷 = 𝑘₁2 + 2𝑘₁𝑘₂ + 𝑡₁2+ 𝑡₂2 𝛼 + 𝑘₂2 _{+ 𝛼}1₂ _𝑘 1𝑡1 + 𝑘1𝑡2+ 𝑘2𝑡1+ 𝑘2𝑡2 2𝑐𝑜𝑠 𝜃₂ + 𝑡₁𝑡₂𝛼 2𝑐𝑜𝑠 𝜃 1 + 1 − 𝛾 𝛼12 2 𝑡₁2_{+ 𝑡} 22+ 𝑡1𝑡2 2𝑐𝑜𝑠 𝜃 − 2 1 − 𝛾 𝛼12 𝑡₁+ 𝑡₂ 2𝑐𝑜𝑠 𝜃 2 Gambar 4. Struktur serat optik

ring resonator dua input searah

(18)

Respon serat optik ring resonator pada Kondisi Resonansi

Gambar 9. (a) Respon pada satu input untuk port 𝐸_𝑜1 (b) Respon pada satu input untuk port 𝐸_𝑜2 pada kondisi resonansi dengan

𝐿 = 10 𝑚, 𝛼 = 0,1∗𝐿 𝑑𝐵, 𝑑𝑎𝑛 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵

(19)

Gambar 10. (a) Respon pada dua input berlawanan untuk port 𝐸_𝑜1 (b) Respon pada satu input untuk port 𝐸_𝑜2 pada kondisi resonansi dengan 𝐿 = 10 𝑚, 𝛼 = 0,1∗𝐿 𝑑𝐵, 𝑑𝑎𝑛 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵

(20)

Gambar 11. (a) Respon pada dua input berlawanan untuk port 𝐸_𝑜1 (b) Respon pada satu input untuk port 𝐸_𝑜2 pada kondisi resonansi dengan 𝐿 = 10 𝑚, 𝛼 = 0,1∗𝐿 𝑑𝐵, 𝑑𝑎𝑛 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵

(21)

Jenis Jumlah Resonansi (m)

−𝜋 s/d 𝜋 0 s/d 𝜋

Eo1 Satu input 11 6

Eo2 Satu input 11 6

Eo1 Dua input berlawanan 11 6 Eo2 Dua input berlawanan 11 6

Eo1 Dua input searah 2 1

Eo2 Dua input searah 2 1

(22)

Resonansi serat optik ring resonator dan pengaruhnya terhadap nilai 𝜶 dan 𝜸

Gambar 12. Respon Intensitas ring resonator satu input dengan 𝐿 = 10 𝑚 (a) port 𝐸_𝑜1 (b) port 𝐸_𝑜2

(23)

Gambar 12. Respon Intensitas ring resonator dua input berlawanan dengan 𝐿 = 10 𝑚 (a) port 𝐸_𝑜1 (b) port 𝐸_𝑜2

(a) (b)

(24)

Gambar 12. Respon Intensitas ring resonator dua input searah 𝐿 = 10 𝑚 (a) port 𝐸_𝑜1 (b) port 𝐸_𝑜2

(a) (b)

(25)

Modulasi pada seratoptik ring resonator yang diaplikasikan untuk Gyroskop Fiber Optik

Gambar 13. Respon Intensitas ring resonator satu input Eo1 dengan resolusi 0,01 °

ℎ = 10 𝑚, 𝛼 = 0,1∗𝐿 𝑑𝐵, 𝑑𝑎𝑛 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵, 𝑓𝑚 = 1 𝑀ℎ𝑧 𝑑𝑎𝑛 𝛿𝑓 = 1𝐾ℎ𝑧 dua input searah 𝐿 = 10 𝑚

𝜔𝑚 = 2𝜋𝑓𝑚 𝑀𝑓 ≪ 1 𝑅 = 5 𝑐𝑚 𝜆 = 1,55 𝜇𝑚 𝑐 = 3 × 108_{𝑚 𝑠} 𝐿 = 10 𝑚 𝑘 = 𝐿 2𝜋𝑅 ΔΩ = 0,01 ° ℎ

(26)

Gambar 13. Respon Intensitas ring resonator satu input Eo2 dengan resolusi 0,01 °

(27)

Gambar 14. Respon Intensitas ring resonator dua input berlawanan Eo1 dengan resolusi 0,01 °

ℎ = 10 𝑚, 𝛼 = 0,1∗𝐿 𝑑𝐵, 𝑑𝑎𝑛 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵, 𝑓𝑚 = 1 𝑀ℎ𝑧 𝑑𝑎𝑛 𝛿𝑓 = 1𝐾ℎ𝑧

dua input searah 𝐿 = 10 𝑚 𝜔𝑚 = 2𝜋𝑓𝑚 𝑀𝑓 ≪ 1 𝑅 = 5 𝑐𝑚 𝜆 = 1,55 𝜇𝑚 𝑐 = 3 × 108_{𝑚 𝑠} 𝐿 = 10 𝑚 𝑘 = 𝐿 2𝜋𝑅 ΔΩ = 0,01 ° ℎ

(28)

Gambar 15. Respon Intensitas ring resonator dua input berlawanan Eo2 dengan resolusi 0,01 °

ℎ = 10 𝑚, 𝛼 = 0,1∗𝐿 𝑑𝐵, 𝑑𝑎𝑛 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵, 𝑓𝑚 = 1 𝑀ℎ𝑧 𝑑𝑎𝑛 𝛿𝑓 = 1𝐾ℎ𝑧

dua input searah 𝐿 = 10 𝑚 𝜔𝑚 = 2𝜋𝑓𝑚 𝑀𝑓 ≪ 1 𝑅 = 5 𝑐𝑚 𝜆 = 1,55 𝜇𝑚 𝑐 = 3 × 108_{𝑚 𝑠} 𝐿 = 10 𝑚 𝑘 = 𝐿 2𝜋𝑅 ΔΩ = 0,01 ° ℎ

(29)

Gambar 16. Respon Intensitas ring resonator dua input searah Eo1 dengan resolusi 0,01 °

(30)

Gambar 17. Respon Intensitas ring resonator dua input searah Eo2 dengan resolusi 0,01 °

(31)

Gambar 18. Respon Sensitivitas serat optik ring resonator satu input untuk coupler 50:50 dengan L = 10 m , resolusi Ω = 0,01 °

ℎ , 𝐿 = 10 𝑚, 𝛼 = 0,1∗𝐿 𝑑𝐵, 𝑑𝑎𝑛 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵 (a) port Eo1 (b) port Eo2

Respon Sensitivitas pada serat optik ring resonator yang diaplikasikan untuk Gyroskop Fiber Optik

(32)

Gambar 19. Respon Sensitivitas serat optik ring resonator dua input berlawanan untuk coupler 50:50 dengan L = 10 m , resolusi Ω = 0,01 °

(a) (b)

(33)

Gambar 20. Respon Sensitivitas serat optik ring resonator dua input searah untuk coupler 50:50 dengan L = 10 m , resolusi Ω = 0,01 °

(a) (b)

(34)

Jenis

Intensitas (dB)

Pada

𝑡 = 0,5 𝑠

Eo1 Satu input

5,595

Eo2 Satu input

-15,949

Eo1 Dua input

berlawanan

4,750

Eo2 Dua input

berlawanan

-0,562

Eo1 Dua input

searah

-9,9615

Eo2 Dua input

searah

-9,9615

Tabel 2. Respon Sensitivitas pada serat optik ring resonator yang diaplikasikan untuk Gyroskop Fiber Optik

(35)

Perubahan Intensitas serat optik ring resonator yang diaplikasikan pada Gyroskop Fiber Optik

Gambar 21. Respon Perubahan Intensitas pada serat optik ring resonator Eo1 satu input yang diaplikasikan pada gyroskop fiber optik dengan 𝐿 = 10 𝑚, 𝑡 = 0,5 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘, 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵, 𝛼 = 0,1_𝐿 𝑑𝐵 (a) port Eo1 dengan 𝐼 = 5.5948485 − 0.0029674Ω

(b) port Eo2 𝐼 = −15.948368 − 0.0023131Ω

(36)

Gambar 22. Respon Perubahan Intensitas pada serat optik ring resonator Eo1 dua input berlawanan yang diaplikasikan pada gyroskop fiber optik dengan 𝐿 = 10 𝑚, 𝑡 = 0,5 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘, 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵, 𝛼 = 0,1_𝐿 𝑑𝐵 (a) port Eo1 dengan 𝐼 = 4.7502305 −

0.0025774Ω (b) port Eo2 𝐼 = −0.5615236 − 0.0024803𝛺

(a) (b)

(37)

Gambar 23. Respon Perubahan Intensitas pada serat optik ring resonator Eo1 dua input searah yang diaplikasikan pada gyroskop fiber optik dengan

𝐿 = 10 𝑚, 𝑡 = 0,5 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘, 𝛾 = 0,3 𝑑𝐵, 𝛼 = 0,1_𝐿 𝑑𝐵 (a) port Eo1 dengan 𝐼 = −9.8614464 − 0.0006142𝛺 (b) port Eo2𝐼 = −9.8614464 − 0.0006142𝛺

(a) (b)

(38)

Jenis FORR Fungsi Regresi Linear

Eo1 Satu Input 𝐼 Ω = 5.5948485 − 0.0029674Ω

Eo2 Dua Input 𝐼 Ω = −15.948368 − 0.0023131Ω

Eo1 Dua Input Berlawanan 𝐼 Ω = 4.7502305 − 0.0025774Ω

Eo2 Dua Input Berlawanan 𝐼 Ω = −0.5615236 − 0.0024803𝛺

Eo1 Dua Input Searah 𝐼 Ω = −9.8614464 − 0.0006142𝛺

Eo2 Dua Input Searah 𝐼 Ω = −9.8614464 − 0.0006142𝛺

Tabel 3. Perubahan Intensitas serat optik ring resonator yang diaplikasikan pada Gyroskop Fiber Optik

(39)

1. Fungsi persamaan transfer daya pada masing-masing jenis serat optik ring resonator (FORR). Fungsi transfer daya paling besar pada serat optik ring resonator FORR jenis dua input searah.

2. Pengaplikasian serat optik ring resonator FORR sebagai fiber optik gyroskop dengan resolusi Ω = 0,01 ° _ℎ menggunakan modulasi frekuensi narrowband

sebesar 1 MHz menunjukkan respon sensitivitas gyroskop dalam persamaan linear. Modulasi menunjukkan respon sensitivitas gyroskop paling baik ditunjukkan oleh FORR Dua Input Berlawanan.

Permodelan diharapkan dapat direalisasikan melalui eksperimen secara bertahap, sehingga FORR dapat dimanfaatkan sebagai sensor

gyroskop fiber optik ataupun jenis sensor berbasis fiber optik lainnya.

(40)