1
ANALISIS JUMLAH LASER DIODA TERHADAP AMPLIFIKASI DAYA
INTENSITY
TUNABLE LASER
PADA APLIKASI SUMBER CAHAYA PANDU GELOMBANG
OPTIK BERBASIS MATERIAL NONLINEAR
Ulan Sari1), Achmad Syarif Hidayat2), Risa Indriani3), Izdihar Salsabilla Duma Putri4), dan Dwi Julianitasari5)
1) Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam 2) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri
3) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri 4) Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri
5) Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Ulansari707@gmail.com Achmadsyarief41@gmail.com
risa30196@gmail.com
cesa.mailbox@gmail.com
Abstrak
Material nonlinear menjadi material kunci atas teknologi komunikasi dan informasi modern. Perkembangan dunia optoelektronik seperti ultrafast switching, modulasi informasi berkapasitas tinggi, gerbang logika berbasis optik, dan pandu gelombang pembagi daya adalah aplikasi langsung dari material nonlinear. Karakteristik utama material nonlinear adalah mengalami perubahan suseptibilitas optik seiring perubahan intensitas sumber cahaya yang merambat pada pandu gelombang optik. Perubahan suseptibilitas optik tersebut berpengaruh terhadap sifat optik dari suatu bahan seperti pada nilai indeks bias dan polarisasinya. Melalui pemanfaatan sifat nonlinearitas suatu material maka seseorang dapat dengan mudah merekayasa sifat optik sesuai kehendak.
Dalam praktik pemanfaatan material nonlinear, adanya sumber cahaya memiliki peran sentral. Hal ini disebabkan oleh perubahan intensitas sumber cahaya dapat menyebabkan munculnya efek nonlinear. Selama ini perubahan intensitas cahaya tersebut dilakukan melalui doped fiber amplifier (DFA). Harga EDFA di pasaran sangatlah mahal dan rancang bangun sistem penguatan optik EDFA juga memerlukan biaya yang sangat tinggi, termasuk pengadaan tools dan optikal instrument yang digunakan. Di Indonesia, selama ini rancang bangun EDFA dilakukan hanya sebatas simulasi. Pada penelitian ini akan dirancang suatu alat yang mampu melakukan amplifikasi intensitas daya dengan biaya yang relatif ekonomis namun tetap memberikan performa yang optimum, yakni berbasis laser dioda dan menggunakan prinsip superposisi gelombang. Intensity tunable laser (ITL) adalah laser yang mampu diatur daya keluarannya melalui arus listrik yang dikenakan. Dalam perancangan telah dilakukan analisis daya laser yang ada pada konfigurasi sistem ITL. Diperoleh hasil bahwa banyaknya laser yang optimal untuk dikopel yaitu berjumlah 3 laser dengan daya output sebesar 23,7 nW.
Kata kunci: laser dioda, intensity tunable laser, material nonlinear
1. Pendahuluan
2 Dalam praktik pemanfaatan material nonlinear, adanya sumber cahaya memiliki peran sentral. Hal ini disebabkan oleh perubahan intensitas sumber cahaya dapat menyebabkan munculnya efek nonlinear. Selama ini perubahan intensitas cahaya tersebut dilakukan melalui doped fiber amplifier (DFA). DFA bekerja berdasarkan pengalihan energi foton konvensional dari tingkatan energi sebuah atom maupun ion (kristalin). Sinyal lemah yang melewati medium aktif dalam DFA kemudian dicampur dengan sinyal foton pemompa, sehingga medium aktif tersebut akan menghasilkan cahaya emisi terangsang yang koheren dengan panjang gelombang sinyal (Katti, 2016). Emisi terangsang inilah yang menyebabkan perubahan intensitas daya sinar laser pada jalur keluaran DFA. Amplifikasi daya pada DFA bergantung pada dimensi panjang doped fiber, semakin panjang doped fiber-nya maka amplifikasi dayanya menjadi semakin besar. Salah satu material aktif yang memiliki kemampuan mengamplifikasi foton adalah Erbium (Er3+), sehingga sistem penguat intensitas daya optik sering disebut dengan Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) (Rudnitsky, 2011). Harga EDFA di pasaran sangatlah mahal dan rancang bangun sistem penguatan optik EDFA juga memerlukan biaya yang sangat tinggi, termasuk pengadaan tools dan optikal instrument yang digunakan (Koos,2009). Di Indonesia, selama ini rancang bangun EDFA dilakukan hanya sebatas simulasi (Pramono, 2000). Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dirancang suatu alat yang mampu melakukan amplifikasi intensitas daya dengan biaya yang relatif ekonomis namun tetap memberikan performa yang optimum, yakni berbasis laser dioda dan menggunakan prinsip superposisi gelombang.
Intensity tunable laser (ITL) adalah laser yang mampu diatur daya keluarannya melalui arus listrik yang dikenakan (Pedrola, 2015). ITL pada umumnya hanya berjumlah satu laser yang telah memiliki rentang kontrol daya tertentu. Melalui prinsip superposisi gelombang, pada penelitian ini telah dianalisis pengaruh jumlah laser dioda terhadap amplifikasi daya intensity tunable laser, yang divariasikan sebanyak 4, 6, 8 buah laser dioda dengan konfigurasi tertentu. Melalui penelitian ini diharapkan dapat dirumuskan jumlah dan konfigurasi efektif dari laser dioda yang dapat digunakan untuk melakukan amplifikasi intensitas daya laser dangan biaya yang relatif ekonomis namun tetap memberikan performa yang optimum.
2. Studi Pustaka 2.1. Laser Dioda
Laser dioda adalah komponen semikonduktor yang dapat menghasilkan radiasi koheren yang dapat dilihat oleh mata ataupun dalam bentuk spektrum inframerah (Infrared/IR) ketika dialiri arus listrik (Yaghoubi, 2014). Yang dimaksud dengan radiasi koheren adalah radiasi dimana semua gelombang berasal dari satu sumber yang sama dan berada pada frekuensi serta fasa yang sama juga. Kata LASER merupakan singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation yang artinya adalah mekanisme dari suatu alat yang memancarkan radiasi elektromaknetik melalui proces pancaran terstimulasi. Radiasi elektromagnetik tersebut ada yang dapat dilihat oleh mata normal, ada juga yang tidak dapat dilihat. Panjang Gelombang (wavelenght) terlihat yang terbuat dari laser diode pertama kali diperkenalkan oleh Nick Holonyak Jr, seorang Ilmuwan yang bekerja di General Electric pada tahun 1962 (Hemyai, 1992). Dioda laser hanyalah salah satu jenis perangkat ataupun teknologi yang dapat menghasilkan sinar laser. Jenis - jenis perangkat ataupun teknologi lainnya yang dapat menghasilkan sinar laser diantaranya adalah solid-state laser, laser gas, laser excimer dan dye laser.
2.2. Persamaan Maxwell dan Superposisi Gelombang
3 2.3. Material Nonlinier
Secara umum, ketidakmampuan dari dipole dalam medium optik untukmerespon secara linier dari medan listrik ataupun medan magnet mengakibatkan fenomena nonlinier (Handoko, et al, 2006). Adanya perubahan intensitas cahaya yang diberikan pada material juga dapat mengakibatkan fenomena nonlinear optik. Suku pertama pada persamaan merupakan polarisasi linier, sedangkan suku kedua, ketiga, dan seterusnya merupakan polarisasi tak linier (Handoko, et al,1995).Penggunaan material tak linier pada suatu device pandu gelombang bertujuan untuk mendapatkan kemampuan switching yang sangat cepat.Semua pandu gelombang tak linier diasumsikan terdiri dari material bertipe Kerr seperti semikonduktor MQW (Multi Quantum Well), Liquid Crystal MBBA(p-methoxybenzylidene p-n-butylaniline), Nematik Liquid Crystal PCH-5 (Penthylcyclohexil benzonitrile) (Cotter et al, 1992), dan Organosol SnO 2 (Wu danZao, 1997).Material bertipe Kerr tersebut memiliki suseptibilitas orde tiga. SnO2 merupakan suatu senyawa ionik, yang non-stoikiometri, karena adanya cacat titik berupa kelebihan atom logam Sn (Stannic).SnO2 banyak dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi karena stabil terhadap perlakuan panas, biaya pendeposisiannya yang relatif ekonomis. Material Oksida SnO2 disebut juga keramik.SnO2 merupakan paduan dua unsur yaitu logam dan non logam yang berikatan ionik dan atau ikatan kovalen.
3. Metodologi Penelitian
Adapun penelitian ini dilakukan menggunakan metode yang sesuai dengan diagram alir pada Gambar 1. berikut;
4 3.1. Variabel Penelitian
3.1.1. Variabel Bebas
Adapun variable bebas dari penelitian ini adalah sebagai berikut;
Konfigurasi penyusunan laser dioda yang dibuat seri, paralel, dan gabungan seri-paralel
Jumlah laser dioda yang berjumlah 4, 6, dan 8
Posisi masing-masing laser dioda dari lensa
Besarnya arus listrik yang dikenakan pada laser dioda (arus dari rangkaian tunable sumber arus) dalam rentang 0-5 A
3.1.2. Variabel Terikat
Adapun variable terikat dari penelitian ini adalah sebagai berikut;
Intensitas daya yang terukur pada optikal power meter 3.1.3. Variabel Terkontrol
Adapun variable terikat dari penelitian ini adalah sebagai berikut;
Jenis laser dioda yang digunakan, yakni laser red-point
3.2. Alat dan Bahan
Penelitian ini dilakukan secara eksperimen. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Rekayasa Fotonika, Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri ITS, tahun 2017. Sejauh ini, berikut adalah prosedur atau langkah kerja yang telah dilakukan dengan lensa atau tanpa lensa, lalu dipilih untuk dikopel dengan fiber optik.
4.
Dari data yang terbaik dari langkah nomor tiga, fiber optik polimer yang panjangnya lima centimeter dilem dengan beberapa lem yang berbeda.5.
Mengukur daya keluaran dari fiber dengan tujuh laser yang berbeda jenis lemnya.6.
Fiber yang sudah dilem ke kepala lasernya, dapat dilepas pasangan dan dicoba ke laser lainnya. Jadi setiap kepala laser yang sudah menempel ke fiber optik dengan lem tertentu dipasangkan ke satu laser lainnya, sehingga diperoleh 14 data hasil percobaan.4. Hasil dan Pembahasan
5 penambahan LCD yang ditunjukkan pada Gambar 4. Adapun hasil pengujian dari alat pengatur listrik yang diubah berdasarkan putaran pada potensiometer ditunjukkan oleh Gambar 5. Dari data hasil pengujian tersebut, grafik menunjukkan hasil yang mendekati linear sehingga dapat digunakan untuk men-tuning laser dioda.
Gambar 2.. Skema rangkaian pengatur arus listrik
Gambar 3. Bentuk jadi rangkaian pengatur arus listrik
Gambar 4. Penyempurnaan rangkaian pengatur arus listrik yang dilengkapi LCD
Gambar 5. Grafik pengaruh putaran potensiometer terhadap arus input
Rangkaian pengatur arus tersebut nantinya dipasangkan terhadap laser yang secara skema ditunjukkan oleh Gambar 6. Set-up peralatan tersebut menggunakan 8x1 splitter sebagai media untuk menggabungkan berkas dari beberapa laser (Fan, 2005). Data hasil pengujian dari set-up peralatan eksperimen tersebut ditunjukkan oleh Gambar 7.
0 9.8
19.5 29.3
48.8 58.6
68.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 1/6 2/6 3/6 4/6 5/6 6/6
A
ru
s
In
p
u
t
(m
A
)
6 Gambar 6. Set-up peralatan eksperimen (Fan, 2005)
Gambar 7. Grafik pengaruh banyaknya laser yang dikopel terhadap daya yang dihasilkan
Gambar 7. menunjukkan bahwa banyaknya laser yang optimal untuk dikopel berjumlah 3 laser. Menghasilkan daya output sebesar 23,7 nW. Pada penambahan laser ke-4 hingga ke-6 dayanya mengalami penurunan disebabkan oleh semakin besarnya peluang interferensi destruktif. Interferensi destruktif menyebabkan pelemahan amplitudo, padahal daya output (intensitas) bergantung kepada kuadrat dari nilai amplitudo. Terjadinya interferensi destruktif tersebut disebabkan oleh fase yang berbeda-beda dari setiap laser. Oleh karena itu, pengembangan penelitian pada topik ini dapat dilakukan dengan penambahan kontrol fase. Kontrol fase tersebut akan menyebabkan terjadinya interferensi konstruktif sehingga prinsip superposisi dapat terjadi.
Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, diperoleh hasil sebagai berikut:
a) Telah berhasil dibuat rangkaian pengatur arus dan pengukur daya masukan baik tanpa LCD dan dengan LCD yang diatur dengan potensiometer.
b) Daya output laser sebanding dengan arus listrik yang dikenakan, namun tidak dapat dimodelkan secara matematis.
c) Jumlah laser dioda yang menghasilkan daya optimum adalah 3 laser, bahwa banyaknya laser yang optimal untuk dikopel yaitu berjumlah 3 laser dengan daya output sebesar 23,7 nW.
Daftar pustaka
Fushimi, A.and T. Tanabe, “All-optical logic gate operating with single wavelength,” Optics Express, vol. 22, no. 4, p. 4466, Feb. 2014.
Handoko, N. R. B., Firdausi, K. S., dan Setiawati, E. 2006 Penentuan Nilai Koefisien Linier Magneto Optik Material Transparan Menggunakan Interferometer Michelson. [serial online]http://eprints.undip.ac.id/2517/1/Penentuan_Nilai_koefisien_Linier_Magneto_Optik_M aterial_Transparan_Menggunakan_Interferometer_ Michelson.pdf [12Juni 2016].
Katti, R. and S. Prince, “All Optical new 3 × 3 reversible logic gate using Mach–Zehnder Interferometer,” Optical and Quantum Electronics, vol. 48, no. 1, Jan. 2016.
Koos, C. et al., “All-optical high-speed signal processing with silicon–organic hybrid slot waveguides,” Nature Photonics, vol. 3, no. 4, pp. 216–219, Apr. 2009.
7 Pedrola,L.G..Beam Propagation Method: For Design of Optical Waveguide Devices. Chichester, West Sussex: John Wiley & Sons, Inc, 2015.
Pramono, Y.H, Geshiro, M., Kitamura, T., dan Sawa, S. 2000. Self-switching in Crossing waveguide With Three Channel Cositing of Nonlinier Material. IEICE Trans. Electron, Vol. E82-C, no. 1, pp 111-118.
