KARAKTERISASI FIBER BRAGG GRATING (FBG) UNTUK PENGEMBANGAN SISTEM SENSOR STRAIN TANAH
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains DEPI SANTI SINUHAJI
050801008
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2010
PERSETUJUAN
Judul : KARAKTERISASI FIBER BRAGG
GRATING (FBG) UNTUK
PENGEMBANGAN SISTEM SENSOR STRAIN TANAH
Kategori : SKRIPSI
Nama : DEPI SANTI SINUHAJI Nomor Induk Mahasiswa : 050801008
Program Study : SARJANA (S1) FISIKA
Departemen : FISIKA
Fakultas : MATEMATIKA DAN ILMU
PENGETAHUAN ALAM (FMIPA)
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Diluluskan di
Medan, Februari 2010 Diketahui/Disetujui oleh:
Departemen Fisika FMIPA USU
Ketua Pembimbing
(DR. Marhaposan Situmorang) (Drs.Luhut Sihombing,M.Si) NIP:195510301980031003 NIP : 130 535 871
Berbahagialah Orang Yang
Mendapat Hikmat,
Orang Yang Memproleh Kepandaian
Karena Keuntunganya Melebihi
Keuntungan Perak
Dan Hasilnya Melebihi Emas
Ia Lebih Berharga dari pada Permata,
Apapun yang kau Inginkan
Tidak dapat Menyamainya
Skripsi ini:
Ku Persembahkan
Buat Kakakku Yang Tercinta Alm Tanti Sinuhaji
&
PERNYATAAN
KARAKTERISASI FIBER BRAGG GRATING (FBG) UNTUK PENGEMBANGAN SISTEM SENSOR STRAIN TANAH
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Februari 2010
DEPI SANTI SINUHAJI 050801008
PENGHARGAAN
Segala perkara dapat kutanggung di dalam Dia yang memberikan kekuatan padaku (Filipi 4:13). Hal inilah yang menjadi sumber pengharapan dan penghiburan bagi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas akhir ini diajukan untuk memenuhi persyaratan untuk memproleh gelar Sarjana Strata Satu (S1) pada jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,Universitas Sumatera Utara.Dalam penyusunan Tugas Akhir ini,penulis banyak mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Dr.Bambang Widiayatmoko, yang juga selaku pembimbing I di Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) yang banyak memberi
bimbingan, dorongan dan masukan kepada penulis.
2. Bapak Prabowo Puranto,S.Si, Wildan Panji Tresna,S.Si, Dwi Hanto,S.Si, Hendra Adinata,Amd, Marga Asta Jaya,Amd, Lukman Faris,Amd dan juga Pegawai di Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) yang banyak memberi bimbingan dan masukan kepada penulis.
3. Bapak Drs.Luhut Sihombing,M.Si, selaku pembimbing II yang telah banyak memberikan bimbingan,dorongan dan masukan dalam
pelaksanaan Tugas Akhir ini.
4. Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Ketua dan Sekretaris Departemen Fisika, Dr.Marhaposan Situmorang dan Dra.Justinon,M.Si, Dekan dan Pembantu Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam universitas Sumatera Utara, semua dosen Departemen
Fisika FMIPA USU dan Pegawai di FMIPA USU.
5. Tidak terlupakan dan yang teristimewa kepada Ayahanda tercinta B.Sinuhaji dan Ibunda tercinta T.Ginting yang selalu mendukung saya dalam
penyelesaian skripsi ini baik dukungan dalam segi moril, materi maupun doa. 6. Semua keluarga kakak dan abangku tercinta (Putra Sinuhaji,Tanti Sinuhaji(Alm),Nursila Sinuhaji,Spd,Nelta Sinuhaji,EfrataL.Sembiring,Erwin Sembiring dan Perdianta Perangin-angin,SP) yang selama ini memberikan
bantuan baik materil dan moral yang diperlukan penulis.
7. Rekan-rekan mahasiswa fisika khususnya stambuk 2005 (Nani,Katrine, Flora, Jonathan, Try Eko, Toni, Rolando, Rian, Espol, Fernando) sahabatku Rosdauli dan Pangi T yang turut serta membantu dalam penyelesaian skripsi ini.
Menyadari akan keterbatasan ilmu yang dimiliki penulis dan keterbatasan waktu, penulis merasa bahwa laporan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna , untuk itu dengan segala kerendahan hati, penulis mengharapkan segala saran dan kritik yang bersifat membangun untuk menyempurnakan tugas akhir ini. Semoga penulisan ini dapat bermanfaat bagi para pembaca khususnya yang berminat di bidang optoelektronika.
ABSTRAK
Fiber Bragg Grating (FBG) adalah perubahan periodik dari indeks refraktif yang ada pada panjang fiber optik. Telah dikembangkan FBG sensor berbasis laser dioda untuk monitoring daerah rawan longsor. Sensor ini banyak dikembangkan karena sensitifitasnya tinggi dan tidak terpengaruh oleh induksi elektromagnetik sehingga dapat diletakkan di tempat yang jauh dari letak catu daya maupun letak monitornya. Puncak transmisi FBG akan bergeser bila bagian kisi tersebut mengalami perubahan jarak kisi akibat adanya perubahan suhu atau tekanan yang membebani sensor tersebut. Percobaan awal dilakukan untuk mengindentifikasi perubahan puncak transmisi FBG terhadap perubahan suhu atau tekanan dan untuk mengetahui sistem kompensasi suhu yang diperlukan dalam pemakaian. Dari hasil penelitian didapatkan bahwa puncak transmisi dari FBG berubah terhadap perubahan suhu dengan koefisien 0,01 nm/oC atau 1,44 GHz/°C. Sedangkan perubahan puncak transmisi FBG akibat tekanan adalah 1,41 nm/kNewton atau
ABSTRACT
Fiber Bragg Grating (FBG) is a periodic change of refractive index which is the length of optical fiber. Has been developed Fiber Bragg Grating (FBG)-based laser diodes for monitoring landslide-prone areas. This sensor has been developed because high sensitivity and is not affected by electromagnetic induction that can be placed at a distance from the location where the power supply and monitor. FBG transmission peak will shift when the grating is change resulting from a change in temperature or pressure sensors that are burdensome. The results of characterization of Fiber Bragg Grating (FBG) sensor system for the development of strains of the soil at the beginning of the experiment to identify changes in the transmission peaks of the FBG temperature or pressure changes and to determine the necessary compensation system in use was found that the peak transmission of the FBG changes with temperature changes with the coefficient 0.01nm/0C or 1.44 GHz/°C. Mean while, the peak
transmission change due to the pressure FBG is 1.41 nm / kNewton or 149.72 (GHz / kN).
DAFTAR ISI Halaman Persetujuan... i Pernyataan ... ii Penghargaan... iii Abstrak... iv Abstract... v Daftar Isi... vi
Daftar Gambar... viii
Daftar Tabel... x
BAB I Pendahuluan 1.1. Latar Belakang Masalah... 1
1.2. Rumusan Masalah... 4
1.3. Batasan Masalah... 4
1.4.Tujuan Penelitian... 5
1.5. Manfaat Penelitian... 5
1.6.Waktu dan Lokasi Penelitian... 5
1.7. Metodologi Penelitian... 6
1.6. Sistematika Penulisan... 7
BAB II Tinjauan Pustaka 2.1 Pengenalan Serat Optik... 8
2.1.1 Struktur dasar sebuah serat optik... 8
2.1.2 Pembagian serat optic……….……… 9
2.1.3 Transmisi cahaya pada serat optik... 11
2.1.4.Karakteristik serat optik... 13
2.1.5.Keuntungan dan Kerugian serat optik... 15
2.2 Fiber Bragg Grating... 16
2.2.1 Prinsip Kerja FBG... 18
2.2.2 Aplikasi FBG... 19
2.2.3 Tipe-tipe struktur grating... 22
2.2.4.Pembuatan FBG... 22
2.3.Laser... 25
2.3.1.Laser Semikonduktor... 25
BAB III Metode Penelitian 3.1 Waktu dan Tempat...31
3.2 Obyek Penelitian... 31
3.3 Alat dan Bahan Penelitian... 31
3.3.1 Alat penyambungan konektor pada FBG... 32
3.3.2 Alat pengujian karakteristik FBG... 32
3.3.3.Sumber cahaya... 35
3.3.4 Bahan penyambungan FBG pada konektor... 37
3.3.5 Prosedur penyambungan konektor pada FBG... 38
3.4 Pengukuran Stabilitas Laser Dioda………39
3.5 Pengukuran transmisi acuan (referensi) FBG……….... 40
3.6.1 Metode karakterisasi FBG terhadap suhu………... 41
3.6.2 Metode karakterisasi FBG terhadap tekanan………….. 42
3.6. Analisa Data……….. 43
3.7. Diagram alir percobaan………. 44
BAB IV Hasil dan Pembahasan 4.1. Pengukuran Stabilitas laser dioda... 45
4.1.1.Perubahan Frekuensi (Panjang Gelombang) Terhadap Perubahan Suhu Operasi Laser... 45
4.2. Pengukuran Transmisi Acuan (Referensi) FBG... 47
4.3. Krakterisasi FBG... 49
4.3.1. Karakterisasi FBG terhadap suhu operasi... 49
4.3.2. Karakterisasi FBG terhadap tekanan... 53
BAB V Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan... 57 5.2 Saran... 57 Daftar Pustaka Lampiran A Lampiran B Lampiran C Lampiran D
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Serat Optik... 8
Gambar 2.2. Fiber Optik Single Mode ... 10
Gambar 2.3. Fiber Optik Multi Mode... 10
Gambar 2.4. Lintasan Cahaya dalam Serat Optik... 11
Gambar 2.5. Sinar Cahaya Datang pada antar muka Indeks Bias ... 12
Gambar 2.6. Proses Masuknya cahaya ke dalam Serat Optik... 13
Gambar 2.7. Struktur Fiber Bragg Grating beserta spektrum transmisi dan Refleksinya... 17
Gambar 2.8. Skematis Prinsip Kerja Sebuah FBG...18
Gambar 2.10. Fiber Bragg Grating diberi Pengaruh Suhu dan Strain... 20
Gambar 2.11. Tipe Umum Struktur Fiber Bragg Grating yang diklasifikasikan berdasarkan Variasi dari Perubahan Indeks Sepanjang axis... 22
Gambar 2.12. Writing FBG ke core Fiber dengan Tehnik Interference Pattern... 24
Gambar 2.13. Ilustrasi Fabrifikasi FBG dengan Menggunakan Tehnik Phase Mask 25 Gambar 2.14. Mekanisme Pembentukan Laser...26
Gambar 3.1. Gambar TCM1000T... 33
Gambar 3.2. Gambar Tensile Testing Machine... 34
Gambar 3.3. Plastik Paralon PVC... 34
Gambar 3.4. Optical Spectrum Analyzer... 35
Gambar 3.5. DFB Laser... 36
Gambar 3.6. Amplified Spontaneous Emission...37
Gambar 3.7. Konektor FC...37
Gambar 3.8. Blok Diagram Percobaan Pengukuran Stabilitas Laser dioda...39
Gambar 3.9. Blok Diagram Percobaan Pengukuran Transmisi Referensi FBG...40
Gambar 3.10. Blok Diagram Percobaan karakterisasi FBG Terhadap Suhu Operasi..42
Gambar 3.11. Blok Diagram Percobaan karakterisasi FBG Terhadap Tekanan...43
Gambar 3.12. Percobaan Karakterisasi FBG terhadap Tekanan...43
Gambar 3.13. Diagram Alir Proses Penelitian...44
Gambar 4.1. Grafik Perubahan Panjang Gelombang akibat perubahan suhu operasi pada Laser... 46
Gambar 4.2. Grafik Perubahan frekuensi Akibat Perubahan suhu Operasi Laser...46
Gambar 4.4. Grafik Hasil Pengukuran puncak Transmisi FBG...47
Gambar 4.5. Grafik Hasil Pengukuran Intensitas Transmisi FBG...48
Gambar 4.6. Grafik Hubungan antara Perubahan Panjang Gelombang Transmisi FBG akibat Perubahan Suhu Operasi FBG...50
Gambar 4.7. Grafik Hubungan antara Perubahan Frekuensi Gelombang Transmisi FBG akibat Perubahan Suhu Operasi FBG...51 Gambar 4.8. Spektrum Puncak Transmisi dari FBG pada Berbagai Suhu Operasi
FBG...52 Gambar 4.9. Grafik Hubungan antara Perubahan Panjang Gelombang Transmisi
FBG akibat Perubahan Tekanan Operasi FBG...54 Gambar4.10. Grafik Hubungan antara Perubahan Frekuensi Gelombang Transmisi
FBG akibat Perubahan Tekanan Operasi FBG...55 Gambar 4.11.Spektrum Puncak Transmisi dari FBG pada Berbagai Tekanan
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 4.1 Data Pengukuran Perubahan Puncak Transmisi FBG akibat Perubahan
Suhu Operasi pada FBG... 31 Tabel 4.2. Data Pengukuran Pergeseran Panjang Gelombang Transmisi FBG
