ANALISA ATENUASI PADA PIPA PLASTIK DENGAN
KAWAT LOGAM SEBAGAI
TERAHERTZ WAVEGUIDE
MENGGUNAKAN METODE
F INITE DIF F ERENCE
SKRIPSI
PARASIAN SIMBOLON
110801028
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN
ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
MENGGUNAKAN METODE
F INITE DIF F ERENCE
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai
gelar Sarjana Sains (S.Si)
PARASIAN SIMBOLON
110801028
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PERNYATAAN
ANALISA ATENUASI PADA PIPA PLASTIK DENGAN KAWAT LOGAM
SEBAGAI TERAHERTZ WAVEGUIDE MENGGUNAKAN METODE
F INITE DIF F ERENCE
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan,
PENGHARGAAN
Segala Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala berkat, kasih karunia dan penyertaan-Nya selama penulis melaksanakan studi hingga menyelesaikan skripsi ini sesuai dengan waktu yang telah ditetapkan. Selama kuliah sampai penyelesain tugas akhir ini, penulis mendapatkan banyak bantuan dalam bentuk moril, materi, dorongan, serta bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dengan sepenuh hati, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Dekan FMIPA USU, Dr. Sutarman, M.Sc, semua jajaran Staf, para Dosen, dan Pegawai FMIPA USU atas semua dukungan, bimbingan, dan partisipasi dimana selama ini saya menjalankan study.
2. Bapak Dr. Marhaposan Situmorang selaku Ketua Departemen Fisika, dan Drs.Syahrul Humaidi, M.Sc selaku Sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU, Kak Tini, Bang Jo dan Kak Yuspa selaku staf Departemen Fisika, seluruh dosen, staf dan pegawai Departemen Fisika FMIPA USU yang telah membantu dan membimbing selama study hingga menyelesaikan skripsi ini. Dan juga kepada semua staf, pegawai dan dosen – dosen Universitas Sumatera Utara mulai dari staf tertinggi hingga terendah dimana penulis menimba ilmu selama ini.
3. Bapak Dr. Nasruddin M.N, M.Eng,Sc dan Ibu Nurfina Yudasari, S.Si, M.Sc selaku Dosen Pembimbing yang telah meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan dan memberikan kepercayaan kepada penulis dalam melaksanakan penelitian hingga penyelesaian penulisan skripsi ini.
4. Pihak Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonnesia (LIPI) Serpong – Banten, yang banyak membantu diantaranya Bapak Dr. Bambang Widyatmoko selaku kepala P2F LIPI, Bapak Prof. Pardamean Sebayang, Bapak Prof. Masno Ginting, Ibu Ani, Pak Prabowo, Ibu Dr. Maria Suliyanti, Pak Dr. Isnaini, Pak Iyon, Pak Nursidik, Pak Willdan, Ibu Kirana Putri, Pak Andi, semua peneliti grup Laser dan seluruh staf dan karyawan P2F LIPI yang banyak membantu, saya mengucapkan terima kasih.
5. Terkhusus kepada kedua orang tua saya, Ayahanda tersayang Swandi Simbolon dan Ibunda tercinta Herta Dahlia Simatupang terima kasih yang sebesar - besarnya yang telah mendidik dan membesarkan saya. Telah berjuang bersusah payah, peras keringat hingga saya bisa melanjutkan study dan menyelesaikan penulisan skripsi ini serta memberikan inspirasi, dorongan spritual, dana, perhatian dan doa yang tak henti-hentinya kepada penulis.
v
dan Yusni Anisa Simbolon yang telah memberikan dukungan, doa dan memberikan semangat kepada penulis.
7. Kepada Bapak Dr. Kerista Tarigan, M.Eng, Sc selaku kepala Laboratorium Elektronika Dasar yang telah memberi motivasi, bimbingan, dan dukungan kepada penulis. Dan juga Teman-teman Asisten Laboratorium Elektronika Dasar yang saling mendukung di dalam laboratorium.
8. Kepada seluruh keluarga besar saya, terutama keluarga Amangboru penulis L. Situmorang/Br Simbolon, Juga seluruh keluarga Uda/Inanguda, Amangboru/Namboru, tulang S. Simatupang, Paktua/Maktua, Uda/Tante yang telah memberi dukungan moral, dana, inspirasi, dan doanya.
9. Kepada teman-teman FISIKA stambuk 2011, juga seluruh anggota PHYSICS PROLIX, David H, Jansius, Russel, William, Wahyu, Hendri, Rinto, Jefri, Jerri, Hendra Gabe, Iwan, Ingot, Randy, Ilham, Misael, Ancela, Rusti, Nova, Desi, Intan, Ivo, Tabita, Nenshe, Trimala, Putri, Diana, Heni, Inten yang telah memberikan partisipasi, semangat dan dukungan untuk menyelesaikan penulisan skripsi ini. Semoga kita semua sukses. Amin.
10.Sahabat- sahabatku seperjuangan satu kost selama melaksanakan penelitian di LP2F LIPI Serpong Hendra Damos, Trisno, Lilis Sagita, Widya Susanti, Bambang Herdiansyah, Khairuddin Alfarisi yang sama-sama berjuang suka duka dan memberikan semangat, motivasi dan doa kepada penulis.
11.Adik-adik Stambuk 2012, 2013 dan 2014, adik-adik PHYSICS IMMORTAL atas semua dukungan dan doa dalam penyelesaian penulisan skripsi ini.
12.Buat semua keluarga: Lismawaty Pasaribu, Melika Via Simbolon, Kardi Simbolon, kerabat, teman – teman yang tak bisa disebutkan satu persatu yang telah memberikan dukungan dan motivasi kepada penulis.
ANALISA ATENUASI PADA PIPA PLASTIK DENGAN KAWAT LOGAM
SEBAGAI TERAHERTZ WAVEGUIDE MENGGUNAKAN METODE
F INITE DIF F ERENCE
ABSTRAK
Telah dilakukan simulasi terahertz waveguide menggunakan metode finite difference (metode beda hingga) dengan konsep compact 2D finite difference frequency domain (FDFD) method terhadap pipa plastik dengan dua kawat logam tertanam sebagai penghantar gelombang terahertz. Pandu gelombang ini dirancang dengan diameter core 3 mm yang dikelilingi 12 lubang kecil berdiameter 0.35 mm. Pada lubang kecil berdiameter 0.35 mm akan ditanam kawat logam secara tegak lurus dan horizontal terhadap polarisasi medan listrik. Rancangan pandu gelombang tersebut diuji secara numeris dengan menggunakan program software MODE simulations yang dikembangkan oleh Lumerical Inc. Profil mode dari medan listrik gelombang terahertz yang merambat dapat ditampilkan. Kawat logam yang ditanam dengan posisi tegak lurus diprediksi dapat menurunkan rata-rata atenuasi sebesar 6,18% pada rentang frekuensi 0.3 - 1 THz. Sedangkan dengan posisi kawat sejajar terhadap medan listrik, atenuasi justru meningkat sekitar 19,07% pada range frekuensi yang sama.
vii
ANALYSIS ATTENUASI OF PLASTIC PIPES WITH METAL WIRES AS TERAHERTZ WAVEGUIDE BY FINITE DIFF ERENCE METHOD
ABSTRAC
We demonstrate simulation a terahertz waveguide by finite difference method of a hollow core THz waveguide made by dielectric materials with two embedded metal wires. The waveguide is designed with a core diameter of 3 mm which surrounded by 12 small holes with 0.35 mm of the diameter, as well as the diameter embedded of the copper wire with perpendicular and parallel to the electric field. The numerical investigation is conducted by finite difference method by running a simulation using 2D mode solver program to obtain the physical properties of the waveguide. This simulation also determines the attenuation coefficient of the waveguide. The two metal wires embedded perpendicular to the electric field are able to reduce the attenuation down to 6,18% in the frequency range of 0.3 - 1 THz. In the other hand, parallel position increases the attenuation up to 19,07%.
DAFTAR SINGKATAN
ABC : Absorbing Boundary Condition ARROW : Anti Resonant Reflection Waveguide FDFD : Finite Difference Frequency Domain HWF : Half Wave Plate
ix
2.3.1 Persamaan Gelombang Elektromagnetik 11 2.3.2 Spektrum Gelombang Elektromagnetik 13 2.3.3 Sifat – Sifat Gelombang Elektromagnetik 14
2.4 Hukum Pemantulan dan Pembiasan 14
2.5 Indeks Bias 15
2.5.1 Fase Indeks Efektif 17
2.6 Pandu Gelombang (Waveguide) 18
2.7 Gelombang – Gelombang Terpandu (Guided Waves) 20
2.7.1 Distribusu Ruang/Spatial 20
2.7.2 Berkas – Berkas Meridional 22
2.7.3 Berkas – Berkas yang Terpelintir 23
2.8 Mode Gelombang 23
2.9 Anti Resonant Reflection Optic Waveguide (ARROW) 24
2.10 Atenuasi (Redaman) 26
2.11 Analisis Numeris Dengan Metode Finite Difference 27 2.12 Simulasi Compact 2D The Finite Difference Frequency
Bab III Metodologi Penelitian
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian 30
3.2 Pengambilan Data Eksperimen 30
3.2.1 Eksperimen Set Up 31
3.2.2 Perangkat Alat Eksperimen 32
3.3 Simulasi Terahertz Waveguide 34
3.4 Perangkat Alat Simulasi 38
3.5 Diagram Alir Penelitian 39
Bab IV Hasil dan Pembahasan
4.1 Simulasi Awal Terahertz Waveguide 40
4.2 Validasi Hasil Penelitian 42
4.3 Modifikasi Simulasi Terahertz Waveguide 45
4.3.1 Pengaruh Perubahan Diameter Core 45
4.3.2 Pengaruh Jenis Kawat Logam Tertanam 46 4.3.3 Pengaruh Lubang Kecil pada Sisi Cladding Terhadap
Simulasi Terahertz Waveguide 48
4.3.3.1 Pengaruh Ukuran Diameter 48
4.3.3.2 Pengaruh Posisi 49
Bab V Kesimpulan dan Saran
xi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 1 Data atenuasi dan indeks efektif simulasi awal terahertz
waveguide dengan diameter core 3 mm dan tebal cladding 1,5 mm 56 Tabel 2 Data eksperimen atenuasi dan indeks efektif terahertz waveguide
dengan diameter core 3 mm tebal cladding 1,5 mm 58 Tabel 3 Data simulasi atenuasi terahertz waveguide dengan variasi diameter
core 61
Tabel 4 Data simulasi atenuasi terahertz waveguide dengan variasi jenis
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1 Spektrum gelombang terahertz 2
Gambar 2.1 Gelombang transversal 9
Gambar 2.2 Propagation gelombang elektromagnetik 11 Gambar 2.3 Spektrum gelombang elektromagnetik 13 Gambar 2.4 Pembiasan dan pemantulan berkas cahaya melalui dua medium 15 Gambar 2.5 Faktor propagasi untuk gelombang dalam pemandu
gelombang plat 17
Gambar 2.6 Mekanisme pemandu gelombang dengan pendekatan ray optic 19
Gambar 2.7a Profil indeks bias step index 19
Gambar 2.7b Profil indeks bias graded index 20
Gambar 2.8 Komponen gelombang elektromagnetik dalam sistem
koordinat silinder 21
Gambar 2.9 Trajektori berkas-berkas meridional yang terletak di dalam bidang yang memotong sumbu serat optik 22 Gambar 2.10 Suatu berkas terpelintir (skewed ray) terletak dalam suatu
bidang offset dari sumbu fiber dengan jarak R. Berkas dicirikan oleh sudut-sudut θ dan φ. Berkas ini mengikuti trajektori heliks didalam suatu kulit silinder dengan jari-jari
R dan a 23
Gambar 2.11a Penampang lintang pipa dielektrik 25
Gambar 2.11b Perambatan gelombang terahertz dalam dua medium yang
berbeda 25
Gambar 2.12 Unit sel dua dimensi Yee 29
Gambar 3.1 Pengaturan THz-TDS dengan PCA sebagai emitor dan
detektor THz. Desain lensa THz s-p digunakan untuk fokus dan collimate THz (pada daerah garis warna hijau). Dengan set up
jarak antara PCA adalah 110 cm 31
Gambar 3.2a Diagram PCA 33
Gambar 3.3b Skema pembangkit radiasi THz. Dengan set-up struktur antena dipol memiliki panjang 2 mm dengan jarak dua rel
adalah 60 m dan kesenjangan antena 5 m 33
Gambar 3.3 Lock-in Amplifier seri SR830 33
Gambar 3.4 Tampilan lembar kerja dari software Lumerical MODE Solution 35 Gambar 3.5 Desain awal terahertz waveguide tanpa kawat tembaga;
terahertz waveguide dengan dua kawat tembaga tertanam secara tegak lurus dengan medan listrik; dan terahertz
waveguide dengan dua kawat tembaga tertanam secara sejajar
dengan medan listrik 35
Gambar 3.6a Struktur simulasi terahertz waveguide pada penelitian ini, dimana dua kawat logam yang melekat dalam antarmuka
core - cladding 37
xiii
untuk terahertz waveguide dengan tanpa kawat tembaga; dengan dua kawat tembaga tertanam tegak lurus; dan sejajar;
terhadap polarisasi medan listrik 37
Gambar 3.8 Diagram alir penelitian 39
Gambar 4.1 Grafik atenuasi hasil simulasi terahertz waveguide dari
bahan material dielektrik dengan kawat tembaga tertanam 41 Gambar 4.2a Grafik atenuasi terahertz waveguide pada percobaan
eksperimen dengan dua kawat tembaga tertanam vertikal (tegak lurus) dan horizontal (sejajar) terhadap polarisi medan
listrik 42
Gambar 4.2b Grafik atenuasi simulasi terahertz waveguide dengan dua kawat tembaga tertanam vertikal (tegak lurus) dan horizontal (sejajar) terhadap polarisi medan listrik 43 Gambar 4.3a Grafik indeks efektif dari terahertz waveguide pada percobaan
eksperimen dengan dua kawat tembaga tertanam secara tegak lurus (vertikal) dan sejajar (horizontal) terhadap polarisasi
medan listrik 44
Gambar 4.3b Grafik indeks efektif simulasi terahertz waveguide dengan dua kawat tembaga tertanam secara tegak lurus (vertikal) dan sejajar(horizontal) terhadap polarisasi medan listrik 44 Gambar 4.4 Grafik atenuasi hasil simulasi terahertz waveguide
dengan variasi diameter pada frekuensi 0.4-1 THz 45 Gambar 4.5 Grafik atenuasi hasil simulasi terahertz waveguide
dengan variasi jenis material logam tertanam pada frekuensi
0.3 – 1 THz 47
Gambar 4.6 Grafik atenuasi hasil simulasi terahertz waveguide
dengan variasi ukuran diameter lubang kecil 49 Gambar 4.7 Grafik atenuasi hasil terahertz waveguide terhadap posisi
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran A : Data eksperimen dan simulasi 55
Lampiran B : Foto perangkat alat eksperimen 66
Lampiran C : Foto simulasi terahertz waveguide yang dilakukan
menggunakan software Lumerical MODE Solution 68 Lampiran D : Foto profil mode gelombang hasil desain awal simulasi
terahertz waveguide yang dilakukan menggunakan
software Lumerical MODE Solution 70
