i
PERANCANGAN PIRANTI PEMBACA PROFIL CAHAYA KELUARAN PLANAR WAVEGUIDE BERBASIS MICROCONTROLLER UNIT (MCU)
LINTANG BONGKAR GIRANA M0213048
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
ii
HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI
Judul
Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar Waveguide Berbasis Microcontroller Unit (MCU)
Oleh
: Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D.
: 1968055081997021001 Tanggal:
Pembimbing 2
Nama NIP.
: Fendi Aji Purnomo, S.Si., M.Eng.
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul: Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar Waveguide Berbasis Microcontroller Unit (MCU)
Yang ditulis oleh:
Nama : Lintang Bongkar Girana
NIM : M0213048
Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada:
Hari : Rabu
2. Sekretaris Penguji
Dr. Eng. Risa Suryana S.Si., M.Si. ……… NIP. 197108312000031005
3. Anggota Penguji I
Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. ………
NIP. 1968055081997021001
4. Anggota Penguji II
Fendi Aji Purnomo, S.Si., M.Eng. ………
NIP. 1984092620160901
Disahkan pada tanggal ………. Oleh
Kepala Program Studi Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul “Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar Waveguide Berbasis Microcontroller Unit (MCU)” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan saya hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali telah dituliskan di daftar pustaka. Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau difotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 26 Oktober 2017
v MOTTO
“Tak ada yang namanya keberuntungan di dunia ini” (Sora – kutipan dialog seri anime No Game No Life)
“Cobalah untuk tidak menjadi seorang yang SUKSES, tapi jadilah seorang yang BERNILAI”
(Albert Einstein, 1879 – 1955)
vi
PERSEMBAHAN
Kupersembahkan segala hasil kerja dalam karya ini,
kepada:
Ibu & Ayah
Tegar & Pijar
Seluruh Keluarga
Rekan-rekan Fisika UNS
vii
Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar Waveguide Berbasis Microcontroller Unit (MCU)
Lintang Bongkar Girana
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Faktor penting dalam karakterisasi sebuah planar waveguide adalah indek bias dan jumlah mode gelombang. Kedua sifat tersebut dapat dikarakterisasi dengan menganalisa profil cahaya hasil dari pemantulan waveguide dengan menggunakan metode Sudut Brewster dan metode Prisma Kopling. Kedua metode memiliki limit pengukuran yang tinggi namun membutuhkan waktu yang lama dikarenakan pengambilan data dilakukan secara manual. Penelitian ini merancang sebuah instrument yang dapat membaca profil cahaya dari metode Sudut Brewster dan Prisma Kopling secara otomatis. Dengan menggunakan sampel waveguide kaca Soda-lime yang didifusi ion K+/Na+, hasil dari penelitian ini dibandingkan dengan pengukuran indek bias menggunakan Refraktometer ABBE dan jumlah mode gelombang menggunakan metode Prisma Kopling secara manual. Dari pengukuran dengan menggunakan instrument yang dirancang, menghasilkan nilai indek bias planar waveguide sebesar 1,522.
viii
Development of a Light Profiller from Reflectance of a Planar Waveguide Based on a Microcontroller Unit (MCU)
Lintang Bongkar Girana
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret
ABSTRACT
An important factor in characterizing a planar waveguide is the refractive index and the number of wave modes. Both can be obtained from reflectance of TM polarized light and prism coupler experiment respectively. Those experimental methods are normally carry out manually and retrieval time consumme. This study present an automathic instrument that can be used to measure both properties. Using a planar waveguide of Soda-lime glass diffused by K+/Na+ ions, the results of this study were compared with the refractive index measurement using ABBE Refractometer. The refractive index value of the measurement by using instrument is 1.522.
ix
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis panjatkan kepata Allah SWT, karena berkat rahmat, berkat dan kekuatan pemberian-NYA, penulis dapat menyusun Skripsi yang berjudul “Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar Waveguide Berbasis Microcontroller Unit (MCU)“ dengan tepat waktu, Alhamdulillah.
Skripsi disusun berdasarkan apa yang telah penulis lakukan di Laboratorium Optik dan Fotonik Program Studi Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam pelaksanaan Skripsi, pasti memunculkan permasalah-permasalah yang baru di tiap langkahnya, dan penyelesaian permasalahan ini tidak lepas dari bantuan Allah dan pihak yang bersangkutan, oleh sebab itu Penulis ingin mengungkapkan rasa terima kasih kepada:
1. Allah SWT 2. Keluarga
3. Bapak Ahmad Marzuki selaku Pembimbing I yang telah membimbing dan memberikan dana dalam pengerjaan skripsi dari awal sampai akhir. 4. Bapak Fendi Aji Purnomo selaku Pembimbing II yang telah memberikan
saran dan masukan untuk skripsi saya.
5. Bapak Sorja Koesuma, Pak Usman Santoso, dan Pak Darmanto selaku Pembimbing Akademik saya secara bergantian yang telah memberikan saran dan masukan.
6. Teman-teman dari Grub Bocah Tengik (Bangun Wahyu Sasongko, Brenda Julica, Diaz Fatahillah, Muchammad Ilham Lutfi Hakim, Muchammad Fachrul Rozi Kurniawan, Pupus Qira) yang selalu menyemangati dan menghibur ketika muncul kendala dalam pengerjaan skripsi.
7. Teman-teman Grup Riset Optik & Fotonik yang telah membantu menyelesaikan masalah yang muncul.
x
Sudigdyo Suryo Pamungkas, Waskita Cahya Subekti, serta Wisnu Pamungkas serta keluarga EMF 2013 lainnya yang telah membuat kehidupan di kampus menjadi lebih berwarna.
9. Mas Edi Prasetyo, Mas Ahmad Aftah Syukron, Mas Muchlas Yulianto, Mbak Carolina, dll selaku Senior di Grup Riset Optik & Fotonik yang telah memberikan banyak saran dan ilmu baru.
xi PUBLIKASI
xii DAFTAR ISI
PERANCANGAN PIRANTI PEMBACA PROFIL CAHAYA KELUARAN
PLANAR WAVEGUIDE BERBASIS MICROCONTROLLER UNIT (MCU) ... i
HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
DAFTAR GAMBAR ... xvi
DAFTAR SIMBOL ... xviii
xiii
2.2. Hukum Pemantulan dan Pembiasan CahayaError! Bookmark not defined.
2.3. Indek Bias ... Error! Bookmark not defined. 2.4. Prinsip Waveguide ... Error! Bookmark not defined. 2.5. Metode Prisma Kopling ... Error! Bookmark not defined. 2.6. Sistem Data Akuisisi ... Error! Bookmark not defined. 2.6.1. Sensing Element ... Error! Bookmark not defined. 2.6.2. Transfer Function ... Error! Bookmark not defined. 2.6.3. Signal Conditioning dan Signal ProcessingError! Bookmark not defined.
2.7. Komponen Elektronik ... Error! Bookmark not defined. 2.7.1. Microcontroller Unit (MCU) Arduino Uno R3Error! Bookmark not defined.
2.7.2. Motor Servo ... Error! Bookmark not defined. 2.7.3. Light Depending Resistor (LDR) ... Error! Bookmark not defined. BAB III ... Error! Bookmark not defined. 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ... Error! Bookmark not defined. 3.2. Alat dan Bahan Penelitian ... Error! Bookmark not defined. 3.3. Software yang Digunakan ... Error! Bookmark not defined. 3.4. Metode Penelitian ... Error! Bookmark not defined. 3.4.1. Perancangan Mekanik Instrumen ... Error! Bookmark not defined. 3.4.2. Installasi Sistem Elektronika Instrumen dan Program ... Error! Bookmark not defined.
xiv
3.4.4. Pembacaan Profil Cahaya Pantulan Planar Waveguide dari Metode Prisma Kopling ... Error! Bookmark not defined. 3.4.5. Pembacaan Citra Profil Cahaya hasil dari Metode Sudut Brewster
Error! Bookmark not defined.
xv
Lampiran 5. Penurunan persamaan prisma ... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Datasheet Microcontroller Unit (MCU) Arduino Uno R3 13 Tabel 3.1 Sampel uji dengan variasi waktu difusi 18
Tabel 3.2 Flowchart penelitian 20
Tabel 4.1 Fungsi keyboard yang ditanamkan pada instrumen 33 Tabel 4.2 Jumlah mode waveguide dari pengukuran menggunakan
instrument 40
Tabel 4.3 Log Data profil cahaya reflektansi planar waveguide mode 44 Tabel 4.4 Perbandingan pengukuran dari Refraktometer ABBE
dengan pengukuran menggunakan instrumen yang telah
xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Gelombang elektromagnetik (Supriyanto, 2007) 4 Gambar 2.2 Cahaya yang melewati dua medium berbeda (Saleh &
Teich, 1991) 5
Gambar 2.3 Pemantulan TE dan TM 6
Gambar 2.4 (a) Reflektansi dari cahaya polarisasi TE (b) Reflektansi dari cahaya polarisasi TM (Saleh & Teich, 1991) 7 Gambar 2.5 (a)Planar Waveguide (b) Cicle Waveguide (c) Elips
Waveguide (Nurmantris dkk, 2011) 9
Gambar 2.6 Ilustrasi dari metode Prisma Kopling 10
Gambar 2.7 Alur pemrosesan data pada sebuah sistem data akuisisi (National Instrument Corporation, 2002) 11 Gambar 2.8 Flowchart sensing element (Fraden, 2003) 11 Gambar 2.9 Block diagram dari Signal Processing dan Signal
Conditioning (Orfanidis, 2010) 12
Gambar 2.10 Arduino dari atas dan bawah (Banzi dkk, 2017) 13
Gambar 2.11 Motor Servo 14
Gambar 2.12 Semikonduktor pada LDR (Saleh & Teich, 1991) 15
Gambar 2.13 LDR 15
Gambar 3.1 Interface Software Arduino IDE 19
Gambar 3.2 Flowchart Penelitian 20
Gambar 3.3 Hasil desain Instrumen menggunakan software 21 Gambar 3.4 Rangkaian pembagi tegangan sebagai sensor 22 Gambar 3.5 Skema pembagi tegangan yang telah tersambung
Microcontroller Unit (MCU) Arduino Uno R3 23 Gambar 3.6 Skema motor servo yang telah tersambung Microcontroller
Unit (MCU) Arduino Uno R3 23
Gambar 3.7 Planar waveguide setelah proses difusi dengan variasi
xvii
Gambar 3.8 Kurva TE-TM yang dihasilkan pada percobaan Sudut
Brewster 26
Gambar 4.1 Instrumen yang telah dirancang 27
Gambar 4.2 Skema penjalaran cahaya pada instrument yang dirancang 28
Gambar 4.3 Rangkaian sumber cahaya (laser) 29
Gambar 4.4 Rangkaian pembagi tegangan sebagai sensor 30
Gambar 4.5 Rangkaian sensor yang telah terpasang 30
Gambar 4.6 Sistem elektronika yang telah diinstall pada instrumen 31
Gambar 4.7 Hasil uji sensor pada instrumen 32
Gambar 4.8 Profil cahaya yang terbentuk dari pemantulan planar
waveguide 33
Gambar 4.9 Set up metode Prisma Kopling 34
Gambar 4.10 Bahan uji yang telah tertempel prisma 34
Gambar 4.11 (a)Profil cahaya tak terpandu 35
(b)Profil cahaya terpandu 35
Gambar 4.12 (a)Skema cahaya tak terpandu 35
(b)Skema cahaya terpandu 35
Gambar 4.13 Profil cahaya dari pantulan planar waveguide dengan
metode Prisma Kopling 36
Gambar 4.14 Reflektansi planar waveguidei dari metode Prisma Kopling 37 Gambar 4.15 Skema cahaya terbias masuk ke prisma
(a)Ketika sudut cahaya datang lebih kecil dari garis normal
prisma 37
(b)ketika sudut cahaya datang lebih besar dari garis normal
prisma 37
Gambar 4.16 Pembacaan profil cahaya dibawah sudut kritis prisma 38 Gambar 4.17 Kurva TEM dari reflektansi planar waveguide dengan
Prisma Kopling (a) Sampel 1 (b) Sampel 2 (c) Sampel 3 (d)
Sampel 4 (e) Sampel 5 (f) Sampel 6 39
Gambar 4.18 Citra profil cahaya dari TE dan TM 41
Gambar 4.19 Kurva TM dari tegangan yang dihasilkan oleh reflektansi planar waveguide (a) Sampel 1 (b) Sampel 2 (c) Sampel 3
(d) Sampel 4 (e) Sampel 5 (f) Sampel 6 42
Gambar 4.20 Kurva TM dari reflektansi planar waveguide (a) Sampel 1 (b) Sampel 2 (c) Sampel 3 (d) Sampel 4 (e) Sampel 5 (f)
xviii
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
𝑢 Kecepatan cahaya pada ruang hampa m/s
S Vector poynting W/m2
E Medan listrik N/C
B Medan magnetik tesla
N Indeks bias -
𝜃 Tetha derajat
𝑟
Koefisien reflektansi -𝜌 Massa jenis Kg/m3
m Massa Kg
V Volume m3
