MODULATOR OPTIK
MODULATOR OPTIK
Di susun oleh : Di susun oleh :
N
Naammaa : : FFiirrmmaan n TTaauuffiiq q HH N
NPPMM : : 114400331100008800001199
Jurusan Fisika
Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Padjajaran
Universitas Padjajaran
2010
2010
DAFTAR ISI DAFTAR ISI
COVER……… 1
COVER……… 1
DAFT
DAFTAR AR ISI..ISI... 22
I.
I. PENDAHULUPENDAHULUAN...AN................................................ 33
1.1
1.1 Latar Latar Belakang...Belakang... ... 33 1.2
1.2 TujuTujuan...an... 33
II.
II. PEMBAHASANPEMBAHASAN............................................. 44
2.1 Optik
2.1 Optik NonlNonlinier.inier... 44 2.2
2.2 Material Material Optik Optik Nonlinier...Nonlinier... . 99 2.3
2.3 Efek Efek Elektro Elektro Optik...Optik... ... 1010 2.4
2.4 Modulasi...Modulasi... ... 1111 2.5
2.5 Modulasi Modulasi Optik...Optik... ... 1313 2.6
2.6 Modulator Modulator Optik...Optik... .... 1616
III.
III. PENUTUP... 28PENUTUP... 28
DAFTAR
DAFTAR ISI DAFTAR ISI
COVER……… 1
COVER……… 1
DAFT
DAFTAR AR ISI..ISI... 22
I.
I. PENDAHULUPENDAHULUAN...AN................................................ 33
1.1
1.1 Latar Latar Belakang...Belakang... ... 33 1.2
1.2 TujuTujuan...an... 33
II.
II. PEMBAHASANPEMBAHASAN............................................. 44
2.1 Optik
2.1 Optik NonlNonlinier.inier... 44 2.2
2.2 Material Material Optik Optik Nonlinier...Nonlinier... . 99 2.3
2.3 Efek Efek Elektro Elektro Optik...Optik... ... 1010 2.4
2.4 Modulasi...Modulasi... ... 1111 2.5
2.5 Modulasi Modulasi Optik...Optik... ... 1313 2.6
2.6 Modulator Modulator Optik...Optik... .... 1616
III.
III. PENUTUP... 28PENUTUP... 28
DAFTAR
BAB I
BAB I
PENDAHULUAN
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang 1.1 Latar BelakangManusia sebagai makhluk
Manusia sebagai makhluk ciptaan Tuhan YME dan ciptaan Tuhan YME dan sebagai wakil Tuhan sebagai wakil Tuhan di bumidi bumi yang menerima amanat-Nya untuk mengelola kekayaan alam. Sebagai hamba Tuhan yang menerima amanat-Nya untuk mengelola kekayaan alam. Sebagai hamba Tuhan yang mempunyai kewajiban untuk beribadah dan menyembah Tuhan Sang Pencipta yang mempunyai kewajiban untuk beribadah dan menyembah Tuhan Sang Pencipta dengan tulus.
dengan tulus.
Selain itu, dalam kehidup
Selain itu, dalam kehidupan sehari- hari manusia tidak dapat lepas dari an sehari- hari manusia tidak dapat lepas dari alat- alatalat- alat teknologi yang pada setiap waktu teknologi- teknologi tersebut terus bekembang. Serta teknologi yang pada setiap waktu teknologi- teknologi tersebut terus bekembang. Serta umat manusia dituntut
umat manusia dituntut untuk mengembanguntuk mengembangkan dan kan dan mengikuti perkembangan mengikuti perkembangan teknologiteknologi tersebut. Dewasa ini teknologi-teknologi yang ada telah banyak yang menggunakan tersebut. Dewasa ini teknologi-teknologi yang ada telah banyak yang menggunakan optik. Sehingga alat-alat tersebut dapat lebih efisien dan lebih canggih.
optik. Sehingga alat-alat tersebut dapat lebih efisien dan lebih canggih.
1.2 Tujuan 1.2 Tujuan
Tujuan dalam penulisan makalah ini adalah untuk menambah pengetahuan dan Tujuan dalam penulisan makalah ini adalah untuk menambah pengetahuan dan informasi bagi yang membacanya dan diharapkan dapat bermanfaat bagi kita semua informasi bagi yang membacanya dan diharapkan dapat bermanfaat bagi kita semua Serta untuk memenuhi nilai mata kuliah optik.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Optik Nonlinier
Optik Nonlinier adalah ilmu pengetahuan modern terbaru yang berhubungan dengan fenomena fisika yang terjadi akibat medan yang ditimbulkan oleh laser. Teknologi ini dinamakan teknologi fotonik sebagai pengganti teknologi elektronik untuk memperoleh, menyimpan, menyiapkan, mengirim dan memproses informasi. Konsep komputer optik, proses sinyal optik dan image analisis sedang dikembangkan dengan menggunakan proses optik nonlinier sebagai konversi frekuensi, modulasi cahaya, optical switching, optical logic, penyimpan memori optik, dan optical limiter function.
Sifat optik nonlinier suatu bahan diungkapkan melalui hubungan antara polarisasi listrik terinduksi dalam bahan dengan medan listrik cahaya yang melalui bahan tersebut. Sifat optic nonlinier suatu bahan akan nampak jika intensitas cahaya yang melalui bahan cukup tinggi. Sifat nonlinieritas bahan tersebut diungkapkan dengan suseptibilitas non linier (X( n )) dengan n = 2 dan 3 masing-masing untuk suseptibilitas
nonlinier orde kedua dan ketiga berturut-turut[3].
Untuk beberapa aplikasi optik nonlinier, yaitu: second harmonic generation(SHG), image analisis, high density data storage, elektro-optik spatial light modulation dapat direalisasikan dalam waktu dekat. Sedangkan untuk third harmonic
prosessing dan aplikasi dalam telekomunikasi di masa depan. Keuntungan terbesar dalam menggunakan all-optical proses adalah penguatan kecepatan yang mencapai subpicosecond. Secara garis besar device optik non linier dapat dilihat dalam tabel di bawah.
2.2.1 Beberapa Aplikasi Optik Nonlinier
• Nonlinier order-2
Material yang hanya memiliki sifat optik nonlinier order-2, bila material tersebut disinari dengan cahaya dengan medan listrik E = Eω cos ω t. maka polarisasi yang
terjadi pada material :
P = χ (1)Eω cos ω t + ¼χ (2)Eω 2[cos 2ω t + 1] (1)
Terlihat bahwa sebagai efek dari suseptibilitas order-2, polarisasi mengandung bagian dc dan bagian berosilasi dengan frekuensi 2 di samping bagian yang berfrekuensi . Bagian yang berosilasi dengan frekuensi 2 akan menginduksikan cahaya berfrekuensi sama. Ini yang disebut second harmonic generatin (SHG).
Jika material dikenai sekaligus oleh medan listrik dc dan berosilasi dengan : E = Edc+ Eω cos ω t (2)
Maka suseptibilitas order-2 memberikan sumbangan terhadap suseptibilitas linier yakni :
χ (1)+χ (2)Edc(3)
sehingga indek biasnya bergantung pada medan Edc . Hal ini yang disebut dengan efek elektrooptik atau Pockel yang memberi peluang terhadap proses modulasi cahaya. Prinsip modulasi dilukiskan dalam gambar 2 di bawah ini :
Selanjutnya andaikan dua berkas cahaya masing-masing Es cos ω st dan E p cos ω pt
dengan ω p> ω s , menyinari material. Secara serentak, kedua medan itu akan
menimbulkan polarisasi yang berkaitan dengan order-2 yakni : ½ χ (2)E p Escos (ω p- ω s) t (4)
maka yang selanjutnya menginduksikan medan listrik di dalam material : EI ∝ χ (2)E p Escos ω I t (5)
Sehingga mengakibatkan medan ini bersama medan E pcos ω p t akan menginduksikan
polarisasi∝ χ (2)I pEs cos ω st dengan I padalah intensitas cahaya E p. Polarisasi ini
selanjutnya menginduksikan medan : Eo ∝ χ (2)I p Escos ω st (6)
Jadi, cahaya Es cosω st akan dilewatkan melalui material dengan suatu faktor
penguatan yang bergantung pada suseptibilitas order-2 material dan intensitas I p dari
medan E pcos ω pt. Hal ini dapat diperlihatkan dalam gambar 3
• Nonlinier order-3
Material yang memiliki suseptibilitas order-3 bila disinari cahaya dengan medan Eω
cos ω t, maka polarisasi sehubungan dengan suseptibilitas order-3 adalah :
1/6 χ (3)Eω 3[3/4 cos ω t + ¼ cos 3ω t] (7)
Maka suku kedua dari polarisasi itu akan menginduksikan medan berfrekuensi 3 kali. Peristiwa ini disebut third harmonic generatin(THG). Suku pertama bersifat linier, dan itu memberi sumbangan terhadap suseptibilitas linier :
χ (1)+ 1/8χ (3)Eω 2(8)
Jika noadalah indeks bias sebelumnya, maka dalam keadaan dilalui cahaya berintensitas
n = no + n2I (9)
dengan n2 merupakan parameter yang bergantung pada χ (3) dari material. Indeks bias
yang bergantung intensitas cahaya tersebut merupakan dasar bagi rekayasa devais untuk switching. Dalam gambar di bawah ini diperlihatkan skema devaisnya.
Sedangkan gambar 4b. memperlihatkan hubungan antara intensitas transmisi dan intensitas masukan. Selanjutnya dengan menggunakn gabungan medan dc Edcdan
medan Eω cos ω t, polarisasi yang berkaitan dengan nonlinier order-3 mengandung
½ χ (3)Eω Edc2cos ω t (10)
Dengan demikian, suseptibilitas linier berubah menjadi :
χ (1)+ ½χ (3)Eω 2 (11)
sehingga indeks bias bergantung pada Edc2. Peristiwa ini dikenal sebagai efek
elektrooptik kuadratik atau efek Kerr. Disamping sebagai modulator, efek ini merupakan dasar bagi optical shutter atau switching dan directional coupler. Seperti diperlihatkan dalam gambar 5 dibawah ini :
2.2 Material Optik Nonlinier
Material-material optik nonlinier yang dipakai saat ini dalam fabrikasi devais-devais fotonik pasif dan aktif adalah kristal-kristal anorganik yang bersifat feroelektrik misalnya kristal Kalium Dideterium Pospat(KDP) untuk pengganda frekuensi laser, kristal Lithium Niobat(LiNbO3) untuk modulator elektrooptik dan kristal Barium
Titanat(BaTiO3) untuk aplikasi konjugasi fasa. Meskipun teknologi penumbuhan kristal
untuk material-material ini berkembang jauh dan optik nonlinieritasnya cukup untuk kebanyakan aplikasi fotonik, namun material-material ini mempunyai kelakuan yang tak menguntungkan; misalnya harus dalam bentuk kristal tunggal.
Hal lain yang lebih sulit diatasi adalah bahwa kristal-kristal itu dalam optical switching masih terlalu lambat. Keterbatasan-keterbatasan ini memaksa orang untuk mencari material baru yang tepat dalam aplikasinya. Material-material organik merupakan kandidat bagi optik nonlinier karena beberapa alasan :
1. Waktu respon sangat cepat.
2. Suseptibilitas off-resonance sama atau lebih besar dari pada kristal organik. 3. Mudah difabrikasi.
4. Mudah diintegrasikan di dalam devais.
5. Ambang kerusakannya terhadap laser cukup tinggi 6. Harganya relatif lebih murah.
Namun demikian, hingga saat ini masih harus dilakukan riset untuk pengembangannya. Beberapa aspek yang menjadi obyek riset dalam optik nonlinier antara lain adalah : 1. Pemahaman tentang proses optik nonlinier.
2. Kaitan antara proses optik nonlinier dan struktur material.
3. Rekayasa dan sintesis material untuk memperoleh sifat-sifat termal dan mekanik serta stabilitas terhadap cahaya yang baik.
2.3 Efek Elektro Optik
Efek elektro-optik adalah perubahan dalam sifat optik bahan sebagai tanggapan medan listrik yang bervariasi lambat dibandingkan dengan frekuensi cahaya. Istilah ini mencakup sejumlah fenomena yang berbeda, yang dapat dibagi lagi menjadi
A. Perubahan Penyerapan
1. Electroabsorption: perubahan umum penyerapan konstanta.
2. Keldysh Franz-efek: perubahan dalam penyerapan ditampilkan di beberapa semikonduktor massal.
3. Quantum-confined efek Stark: perubahan dalam penyerapan di beberapa sumur kuantum semikonduktor .
4. Efek elektro-chromatik: pembentukan band serapan pada beberapa panjang gelombang, yang menimbulkan perubahan warna.
1. Pockels efek (atau efek elektro-optik linear): perubahan indeks bias berbanding lurus dengan medan listrik. Hanya padatan kristal tertentu menunjukkan efek Pockels, karena memerlukan kurangnya simetri inversi.
2. Efek Kerr (atau efek elektro-optik kuadrat, QEO efek): perubahan indeks bias
sebanding dengan kuadrat dari medan listrik. Semua bahan menampilkan efek Kerr, dengan besaran bervariasi, tetapi umumnya jauh lebih lemah daripada efek Pockels. 3. Elektro-gyration: perubahan aktivitas optik.
Perubahan dalam penyerapan dapat memiliki efek yang kuat pada indeks bias untuk panjang gelombang dekat tepi penyerapan, karena hubungan Kramer-Kronig.
Menggunakan definisi kurang ketat efek elektro-optik memungkinkan juga medan listrik osilasi pada frekuensi optik, orang juga bisa termasuk penyerapan nonlinier (penyerapan tergantung pada intensitas cahaya) untuk kategori a) dan efek Kerr optik (indeks bias tergantung pada cahaya intensitas) untuk kategori b). Dikombinasikan dengan photoeffect dan fotokonduktivitas, efek elektro-optik menimbulkan efek photorefractive.
2.4 Modulasi
Modulasi adalah proses perubahan (varying) suatu gelombang periodik sehingga menjadikan suatu sinyal mampu membawa suatu informasi atau suatu proses penumpangan sinyal-sinyal informasi ke dalam sinyal pembawa (carrier), sehingga
dapat ditransmisikan ke tujuan. Dengan proses modulasi, suatu informasi (biasanya berfrekeunsi rendah) bisa dimasukkan ke dalam suatu gelombang pembawa, biasanya berupa gelombang sinus berfrekuensi tinggi. Terdapat tiga parameter kunci pada suatu gelombang sinusiuodal yaitu : amplitudo, fase dan frekuensi. Ketiga parameter tersebut
dapat dimodifikasi sesuai dengan sinyal informasi (berfrekuensi rendah) untuk membentuk sinyal yang termodulasi.
Peralatan untuk melaksanakan proses modulasi disebut modulator, sedangkan peralatan untuk memperoleh informasi informasi awal (kebalikan dari dari proses modulasi) disebut demodulator dan peralatan yang melaksanakan kedua proses tersebut disebut modem.
Informasi yang dikirim bisa berupa data analog maupun digital sehingga terdapat dua jenis modulasi yaitu
• modulasi analaog • modulasi digital
2.4.1 Modulasi Analog
Dalam modulasi analog, proses modulasi merupakan respon atas informasi sinyal analog. Teknik umum yang dipakai dalam modulasi analog :
• Modulasi berdasarkan sudut :
o Modulasi Fase (Phase Modulation - PM)
o Modulasi Frekuensi (Frequency Modulatio - FM)
• Modulasi Amplitudo (Amplitudo Modulation - AM) :
o Double-sideband modulation with unsuppressed carrier (used on the
radio AM band)
o Double-sideband suppressed-carrier transmission (DSB-SC) o Double-sideband reduced carrier transmission (DSB-RC)
o Single-sideband modulation (SSB, or SSB-AM), very similar to
single-sideband suppressed carrier modulation (SSB-SC)
o Vestigial-sideband modulation (VSB, or VSB-AM) o Quadrature amplitude modulation (QAM)
Dalam modulasi digital, suatu sinyal analog di-modulasi berdasarkan aliran data digital. Perubahan sinyal pembawa dipilih dari jumlah terbatas simbol alternatif. Teknik yang umum dipakai adalah :
• Phase Shift Keying (PSK), digunakan suatu jumlah terbatas berdasarkan fase. • Frekeunsi Shift Keying (FSK), digunakan suatu jumlah terbatas berdasarkan
frekuensi.
• Amplitudo Shift Keying (ASK), digunakan suatu jumlah terbatas amplitudo.
2.5 Modulasi Optik
Pada teori modern, diketahui bahwa cahaya merupakan gelombang yang dapat memiliki sifat-sifat seperti pembiasan, pemantulan, interferensi, difraksi, dan polarisasi. Perambatan cahaya dapat dianalisis secara mendetail menggunakan teori gelombang elektromagnetik. Teori ini untuk menjelaskan cahaya dalam frekuensi, panjang gelombang, dan fasa. Teori lain yang berkembang berhubungan dengan cahaya adalah teori kuantum cahaya atau disebut juga teori Foton. Teori ini memandang cahaya sebagai perambatan paket energi yang disebut foton. Energi yang dikandung dalam tiap foton dihubungkan dengan frekuensi dari cahaya adalah:
Ep=h.f dimana : Ep adalah energi foton (Joule)
h adalah konstanta Planck (6,626.10-34 Joule-s) f adalah frekuensi (Hertz)
Teori foton ini digunakan dalam analisis dan menjelaskan tentang pembangkitan dan deteksi cahaya. Hal ini sangat membantu dalam menggambarkan transformasi cahaya ke dalam arus elektron (elektrik) dan sebaliknya.
Modulasi optik atau modulasi cahaya adalah teknik modulasi yang menggunakan berkas cahaya berupa pulsa pulsa cahaya sebagai sinyal pembawa informasi. Berkas cahaya yang digunakan disini adalah berkas cahaya yang dihasilkan oleh suatu sumber cahaya (laser atau LED). Dibandingkan dengan modulasi konvensional, modulasi cahaya memiliki keunggulan dalam hal ketahanan terhadap derau yang sangat tinggi, karena sinyal tidak dipengaruhi medan elektromagnet. Di samping itu, sistem ini memungkinkan adanya bitrate hingga mencapai ratusan gigabit per detik. Dalam modulasi optik, sinyal dapat dimodulasi amplitudonya yang dikenal dengan modulasi intensitas (Intensity Modulation) berupa Amplitudo Shift Keying (ASK) / On-Off Keying (OOK). Selain itu, berkas cahaya dapat juga dimodulasi frekuensinya atau lebih tepat modulasi panjang gelombang (Wavelength Modulation). Dan yang ketiga adalah dimodulasi fasanya (Phasa Modulation).
2.5.1 Teknik Modulasi Optik
Dalam modulasi optik koheren, sinyal cahaya yang dimodulasikan dapat direpresentasikan dalam bentuk rumus besaran elektrik. Adapun rumus dasar besaran tersebut dapat didefinisikan :
Dari persamaan dasar diatas, dapat diturunkan tiga macam teknik modulasi optik :
1. Amplitude Shift Keying (ASK) atau disebut juga On-Off Keying (OOK) yang memodulasi sinyal optik dengan perubahan amplitudo antara “0” dan “1” sementara frekuensi konstan dan tak ada lompatan fasa.
2. Frequency Shift Keying (FSK) yan memodulasi sinyal optik dengan perubahan Frekuensi w1 ( omega 1) dan w2 ( omega 2) dan mewakili sinyal biner, sementara amplitudo konstan dan tak terjadi lompatan fasa.
3. Phase Shift Keying (PSK) yang memodulasi sinyal optik berdasarkan perubahan fasa menurut gelombang sinus:
dimana beta adalah indeks modulasi dan adalah frekuensi modulasi omega M
2.5.2 Format Awal Modulasi Sistem Optik
Untuk waktu yang lama, non-return-to-zero on-off-keying (NRZ-OOK) mendominasi format modulasi yang digunakan dalam sistem komunikasi serat optik. Format modulasi NRZ-OOK ini hanya akan disebut OOK. Alasan–alasan yang mungkin mendasari penggunaan OOK pada awal aplikasi serat optik sebagai sistem komunikasi: pertama, OOK ini hanya membutuhkan bandwidth elektrik yang relatif kecil untuk transmitter dan receiver (dibandingkan dengan RZ- OOK); yang kedua, OOK tidak sensitif terhadap noise fasa laser (dibandingkan Phase Shif Keying); dan yang terakhir OOK memiliki konfigurasi yang sederhana pada transmitter maupun receiver. Pada beberapa tahun terakhir, sebagaimana komunikasi serat optik yang mengalami kemajuan dalam hal datarates yang semakin tinggi, DWDM dan komunikasi jarak jauh dengan amplifier optik, modulasi OOK akan menjadi referensi yang baik
Blok diagram transmitter NRZ diperlihatkan dalam gambar dibawah ini , dimana sinyal elektrik dimodulasi dengan sebuah modulator intensitas eksternal. Modulator intensitas ini bisa berupa jenis Mach-Zehnder atau jenis electro-absorbtion, yang mengubah sinyal elektrik OOK dengan data rate Rb menjadi suatu sinyal optik OOK pada data rate yang sama. Lebar pulsa optik pada sebuah pulsa ”1” yang terisolasi (antara bit-bit ”0”) sama dengan kebalikan dari data rate (1/ Rb). Untuk mendeteksi suatu sinyal optik NRZ, digunakan sebuah fotodiode yang sederhana pada receiver, yang akan mengubah daya optik sinyal menjadi arus listrik. Disebut juga direct detection (DD).
2.6 Modulator Optik
Modulator optik berfungsi memodulasi cahaya dengan cara mengubah-ubah amplitude, frikuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga mampu membawa sinyal info. Berdasarkan tempat terjadinya modulasi, ada 2 macam modulasi optik, sehingga dengan sendirinya ada 2 macam modulator, yaitu modulator internal (internal modulator) dan modulator eksternal (external modulator). Modulator internal memodulasi cahaya di dalam perangkat sumber cahayanya, sedangkan modulator
interaksi antara sinyal masukan dengan media interaksi optik, maka terdapat tiga jenis modulator ekstern yaitu elektro-optik, magneto-optik, dan acousto-optic.
• Klasifikasi Modulator Optik
Menurut sifat bahan yang digunakan untuk memodulasi sinar, modulator dibagi menjadi dua kelompok: modulator serap dan modulator bias. Koefisien penyerapan bahan modulator dapat dimanipulasi oleh efek Franz-Keldysh, Quantum-confined Stark, excitonic penyerapan, atau perubahan konsentrasi carrier bebas. Biasanya, jika beberapa efek tersebut muncul bersama-sama, modulator disebut modulator elektro-absorptive.
Modulator bias paling sering menggunakan efek elektro-optik, modulator lain dibuat dengan efek acousto-optik atau efek magneto-optik atau mengambil keuntungan dari perubahan polarisasi dalam kristal cair. Modulator bias diberi nama berdasarkan efek yang terjadi pada modulator, contohnya : modulator electr-optic, modulator acousto-optik, dll. Pengaruh operasi modulator bias adalah perubahan fase dari sinar. Ini dapat dikonversi menjadi modulasi amplitudo oleh interferometer atau couplers terarah.
2.6.1 Modulator Internal (Sumber Cahaya)
Ada dua sumber cahaya yang dikenal dalam komunikasi optik: Light Emitting Diode (LED) dan Illuminating Laser Diode (ILD) yang lebih sering disebut laser. Perbandingan karakteristik LED dan LASER:
A. Light Emitting Diode (LED): 1. Daya optik keluaran rendah. 2. Penguatan cahaya tidak ada. 3. Stabil terhadap suhu.
4. Disipasi panas kecil. 5. Arus pacu kecil.
6. Lifetime lebih sedikit.
7. Tidak compatible dengan fiber optik single mode sehingga tidak cocok untuk komunikasi jarak jauh (long haul).
B. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER): 1. Daya optik keluaran besar.
2. Terdapat penguatan cahaya. 3. Kurang stabil terhadap suhu. 4. Disipasi panas besar.
5. Arus pacu besar. 6. Lifetime lebih lama.
7. Kompatible dengan fiber optik jenis single mode sehingga sangat cocok digunakan untuk komunikasi jarak jauh. Dari perbandingan karakteristik di atas, maka diperoleh bahwa LASER mempunyai kriteria yang lebih baik dan lebih cocok untuk sistem yang
digunakan daripada LED sebagai sumber cahaya.
2.6.2 Modulator Eksternal
A. Modulator Elektro-Optik
Modulator eksternal elektro-optik adalah modulator yang memanfaatkan interaksi sinyal elektrik dengan media interaksi. Interaksi yang terjadi pada elektro-optik ini adalah terjadinya perubahan indek bias media interaksi akibat pengaruh medan elektrik yang diberikan kepada media interaksi tersebut. Jika medan elektrik diberikan kepada media interaksi optik maka distribusi elektron pada media interaksi akan terdistorsi dan terpolarisasi sehingga menyebabkan indeks bias media interaksi berubah secara isotropik sehingga akan mengubah karakteristik pandu gelombang optik atau
perambatan berkas akan berubah baik berupa perubahan fasa ataupun panjang gelombang. Pengaruh medan elektrik pada perubahan indeks bias media interaksi menghasilkan dua macam interaksi elektro-optik yaitu : Efek Pockels yang merupakan efek linier elektro-optik pada media interaksi zat padat. Efek Kerr yang merupakan efek kuadrat elektro-optik pada media interaksi yang umumnya berupa zat cair.
a. Modulator Mach Zehnder
Mach Zehnder merupakan jenis modulator eksternal elektro-optik, modulator ini bekerja mempengaruhi berkas cahaya yang melintas dengan menggunakan medan
elektromagnetik tertentu yang dihasilkan oleh pulsa-pulsa listrik. Atau dengan kata lain modulator ini bekerja berdasarkan prinsip perpaduan (interfering) dua berkas cahaya koheren yang menghasilkan pola garis-garis cahaya (fringe) sesuai dengan besarnya beda fasa antara dua berkas cahaya tadi. Gambar dibawah adalah skema dasar
Interferometer Mach Zehnder. Pada gambar tersebut nampak jelas cara kerja alat jika dilihat dari arah rambatan cahayanya
Keterangan : S sumber berkas
P titik fokus lensa L2
W1,W2,W3 muka gelombang optik L1 dan L2 lensa kolimator
D1 dan D2 media semi pantul M1 dan M2 cermin pemantul
Perbedaan fasa yang terjadi bisa disebabkan dua hal, yaitu perbedaan fasa karena pemantulan atau perbedaan karena lintasan. Pada kasus ini perbedaan fasa yang
ditimbulkan disebabkan karena perbedaan lintasan yang ditempuh kedua berkas sinar. Perbedaan fasa akibat pantulan tidak terjadi di sini, karena terjadinya pantulan pada masing-masing berkas sinar sama, yaitu tiap berkas sama-sama mengalami dua kali pemantulan. Beda fasa antara dua berkas cahaya pada titik P dapat dinyatakan dalam persamaan
dimana :
h adalah selisih jarak antara dua berkas cahaya dalam interferometer. n adalah indeks bias medium perambatan optik.
Pada titik P, tempat bertemunya dua berkas cahaya tadi, akan terjadi pola dengan titik pusat (fringe) terang jika :
Dari persamaan diatas , pola interferensi muncul akibat perbedaan lintasan antara dua berkas cahaya yang masuk dalam interferometer sehingga menimbulkan perbedaan fasa antara kedua berkas tersebut. Jika tidak ada perbedaan lintasan antara kedua berkas, maka tidak akan timbul interferensi karena tidak ada beda fasa antara kedua berkas sehingga keduanya akan menyatu kembali dengan sempurna. Perbedaan lintasan ini muncul karena kedua berkas tiba pada titik yang berbeda pada L2 sehingga keduanya mencapai titik fokus lensa L2 yaitu P dengan menempuh jarak lintasan yang berbeda pula.Karena pola interferensi yang muncul tergantung pada parameter n dan parameter
h, maka persamaan di atas dapat diturunkan berdasarkan kedua parameter tersebut. Bila diturunkan rumus beda fasa di atas, maka akan diperoleh :
Rumus Beda Fasa 2
Dari penurunan persamaan di atas, seperti yang ditunjukkan oleh persamaan beda fasa (a)terlihat bahwa perubahan fasa tergantung pada perubahan indeks bias n dan perubahan jarak h akibat pergeseran posisi keempat komponen optik yaitu L1, L2, M1,
M2. Perubahan fasa tersebut berbanding lurus dengan perubahan kedua parameter tadi. Selain itu, muncul konstanta yang membuat beda fasa tidak menjadi nol bila tidak ada perubahan indeks bias atau perubahan jarak lintasan. Sedangkan pada persamaan beda fasa b menunjukkan pengaruh jarak dalam perubahan fasa dan persamaan beda fasa c menunjukkan hal serupa untuk indeks bias medium perambatan. Berdasarkan gambar
model prisma di atas, redaman yang dialami berkas cahaya pada interferometer Mach Zehnder terjadi saat melewati medium udara, media semi pantul (D1 dan D2), lensa kolimator (L1 dan L2). Berkas diserap udara dan lensa-lensa tersebut kemudian berubah menjadi bentuk lain baik berupa panas maupun hamburan berkas. Timbulnya redaman tersebut tak dapat diperkirakan besarnya tergantung karakteristik lensa-lensa dan juga medium udara di sekitar interferometer.
B. Modulator Akusto-Optik
Suatu modulator eksernal acousto-optik (AOM), juga disebut sel Bragg, modulator ini menggunakan efek acousto-optik untuk pelenturkan dan pergeseran frekuensi cahaya menggunakan gelombang suara (biasanya di radio-frekuensi). Modulator ini digunakan dalam laser untuk Q-switching, dalam telekomunikasi untuk modulasi sinyal, dan dalam spektroskopi untuk kontrol frekuensi. Sebuah transduser piezoelektrik terpasang pada material seperti kaca. Sebuah drive sinyal listrik yang berosilasi agar transduser bergetar, yang menciptakan gelombang suara di kaca. Ini dapat dianggap sebagai perpindahan pesawat periodik ekspansi dan kompresi yang mengubah indeks bias. Cahaya yang masuk menyebar dari indeks modulasi yang dihasilkan periodik dan terjadi gangguan serupa dalam difraksi Bragg. interaksi ini dapat dianggap sebagai empat gelombang pencampuran antara fonon dan foton. Sifat-sifat cahaya keluar AOM dapat dikontrol dalam lima cara:
1. Defleksi
Sebuah berkas difraksi yang muncul pada sudut θ yang tergantung pada panjang gelombang cahaya λ relatif terhadap panjang gelombang dari suara Λ.
dengan cahaya: normal terhadap gelombang suara, di mana m = ..., -2, -1, 0, 1, 2, ... adalah urutan difraksi. Difraksi dari modulasi sinusoidal dalam kristal tipis hanya menghasilkan m = -1, 0, 1 difraksi perintah. Difraksi dalam kristal mengalir ketebalan medium menyebabkan difraksi perintah yang lebih tinggi. Dalam kristal tebal dengan modulasi lemah, hanya perintah phasematched adalah difraksi, ini disebut difraksi Bragg. Defleksi sudut dapat berkisar 1-5000 lebar balok (jumlah bintik-bintik diatasi). Akibatnya, lendutan yang ada biasanya terbatas pada puluhan milliradians.
2. Intensitas
Jumlah cahaya difraksi oleh gelombang suara tergantung pada intensitas suara. Oleh karena itu, intensitas suara dapat digunakan untuk mengatur intensitas cahaya dalam berkas difraksi. Biasanya, intensitas yang difraksi menjadi m = 0 agar dapat bervariasi
antara 15% sampai 99% dari intensitas cahaya masukan. Demikian pula, intensitas order m = 1 dapat bervariasi antara 0% dan 80%.
3. Frekuensi
Satu perbedaan dari difraksi Bragg adalah bahwa cahaya adalah hamburan dari pesawat bergerak. Konsekuensi dari hal ini adalah frekuensi f berkas difraksi dalam m ketertiban akan Doppler-bergeser dengan jumlah yang sama dengan frekuensi gelombang suara F.
Pergeseran frekuensi juga dibutuhkan oleh fakta bahwa energi dan momentum (dari foton dan fonon) yang kekal dalam proses. Pergeseran frekuensi yang khas bervariasi dari 27 MHz, untuk AOM lebih murah, sampai 400 MHz, untuk perangkat komersial negara-of-the-art. Dalam beberapa AOMs, dua gelombang akustik perjalanan di arah
yang berlawanan dalam materi, menciptakan sebuah gelombang berdiri. Difraksi dari gelombang berdiri tidak pergeseran frekuensi cahaya difraksi.
4. Tahap
Selain itu, fase berkas difraksi juga akan bergeser oleh fase dari gelombang suara. tahap ini dapat diubah dengan jumlah yang sewenang-wenang.
5. Polarisasi
Kesegarisan akustik gelombang transversal atau gelombang longitudinal tegak lurus dapat mengubah polarisasi. Gelombang akustik menginduksi fase pergeseran- birefringent, seperti dalam sel Pockels. Filter merdu acousto-optik, terutama dazzler,
yang dapat menghasilkan bentuk pulsa variabel, didasarkan pada prinsip ini [1].
Acousto-optic modulator jauh lebih cepat daripada perangkat mekanik khas seperti cermin yang dapat dimiringkan. Waktu yang diperlukan AOM untuk menggeser balok keluar dari dalam secara kasar terbatas pada waktu transit dari gelombang suara di balok (biasanya 5-100 nanodetik). Hal ini cukup cepat untuk menciptakan modelocking aktif dalam laser ultrafast. Ketika kontrol lebih cepat adalah modulator elektro-optik perlu digunakan. Namun, ini membutuhkan tegangan yang sangat tinggi (misalnya 10 kilovolts), sedangkan AOMs menawarkan jangkauan lebih lendutan, desain sederhana, dan konsumsi daya rendah (kurang dari 3 watt).
Sebuah modulator acousto-optic terdiri dari transduser piezoelektrik yang menciptakan gelombang suara dalam bahan seperti gelas atau kuarsa. Sebuah berkas difraksi cahaya dalam beberapa perintah. Dengan bergetar material dengan sinusoida murni dan miring AOM gelombang sehingga cahaya ini tercermin dari suara datar ke difraksi orde pertama, hingga 90% defleksi efisiensi dapat dicapai.
C. Modulator Magneto-Optik
Sebuah modulator cahaya magneto-optik spasial (MOSLM) adalah sebuah perangkat programmable real-time untuk modulasi amplitudo dan / atau fase dari sinyal optik dua dimensi pada kecepatan tinggi. Baru-baru ini, kami mengembangkan tegangan dorong bagi refleksi MOSLM dengan kristal jenis satu dimensi magneto-fotonik (MPC) struktur. The MOSLM didorong oleh tegangan dari film substrate. Untuk efek piezoelektrik tinggi, film substrate disimpan pada layer refleksi dilakukan dengan perlakuan panas. Oleh karena itu, untuk efisiensi optik tinggi, lapisan refleksi dalam tipe
refleksi MPC harus memiliki ketahanan panas yang tinggi.
Sebuah modulator cahaya magneto-optik spasial (MOSLM) adalah dua dimensi elektrik SLM (spatial light modulator) berdasarkan pada efek magneto-optik yang
dikenal sebagai efek Faraday. Efek Faraday adalah properti dari beberapa bahan transparan yang menyebabkan rotasi polarisasi cahaya melintasi melalui zat seperti ketika material terkena medan magnet. Sebuah MOSLM terdiri dari kotak persegi magnetis mesas bistable (piksel) yang dapat digunakan untuk memodulasi insiden cahaya terpolarisasi oleh efek Faraday. Keadaan setiap pixel dapat diaktifkan secara elektrik sehingga pola objek dapat ditulis ke dalam SLM menggunakan komputer. Dengan demikian, perangkat dapat berfungsi sebagai SLM yang dapat diprogram.
Struktur dasar dari MOSLM adalah sebuah bismut-doping film, magnetik besi-garnic film epitaxially yang diletakkan di atas substrat, kristal garnet transparan non magnetik. Film ini kemudian terukir di kotak persegi mesas magnetis bistable, dan garis drive sekarang didepositkan di antara mereka. Perangkat yang dihasilkan adalah matriks n x n pixel, seperti digambarkan pada gambar dibawah.
Ketika cahaya terpolarisasi linier terjadi pada perangkat, sumbu polarisasi cahaya ditransmisikan akan diputar 45 derajat searah jarum jam untuk keadaan magnetik. Bidang polarisasi diputar 45 derajat berlawanan arah jarum magnet bagi negara sebaliknya, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah. Keadaan magnetisasi sebuah piksel dapat diubah dengan mengirimkan arus listrik untuk dua garis berdampingan. Sebuah analyzer dapat mengubah rotasi polarisasi ke format output berguna. Jika analisa ini ditetapkan pada arah membuat sudut 45 derajat dengan sumbu
arah jarum jam diputar cahaya dapat melewati analyzer tersebut. Jadi modulasi intensitas atau kecerahan sinar insiden akan diperoleh. Atau, sumbu analyzer dapat diatur tegak lurus dengan yang polarizer itu. Dalam hal ini, cahaya balok melewati magnet piksel di negara-negara yang berbeda akan memiliki amplitudo output sama tapi akan polarisasi arah yang berlawanan. Dengan kata lain, output dari magnet piksel dengan negara-negara yang berbeda memiliki perbedaan fasa 180 derajat, yang diinginkan untuk aplikasi tertentu pemrosesan sinyal optik.
Sebagai keadaan magnetisasi zat yang stabil, pada MOSLM memiliki kapasitas penyimpanan. Keadaan diaktifkan melalui arus listrik. Arus ini dapat menghasilkan panas, karena kerugian ohmik, yang membatasi kinerja MOSLM. Kecepatan switching dari domain magnetik itu sendiri dalam perangkat tersebut dapat sangat cepat, umumnya urutan puluhan nanodetik. Saat ini, 256 x 256 piksel MOSLM tersedia secara komersial. Jarak 70µ m, kecepatan frame ke pusat-pusat antara piksel biasanya sekitar 100-300
Hz, dan rasio kontras 300:1 pada panjang gelombang 633 nm. Kekurangan utama dari MOSLM adalah transmitansi yang rendah, yang hanya sekitar 5% untuk kebanyakan panjang gelombang laser.
Modulator optik yang didasarkan dengan kopling antar dua pandu gelombang (wave guide), salah satu pandu gelombangnya bersifat pasif dan tidak absorptif. Pandu gelombang kedua yang diletakkan sejajar pandu gelombang pertama bersifat optik non linear(NLO) dengan koefisien NLO orde dua yang besar dan absorptif. Perpindahan energi antar dua pandu gelombang pada ke dua pandu gelombang NLO. Medan listrik tersebut berasal dari sinyal yang akan ditransmisikan
Setelah melewati tahap penguatan. Medan listrik yang diterapkan mengubah indeks bias pandu gelombang NLO yang melahirkan perubahan fase gelombang yang sedang merambat. Unjuk kerja modulator seperti extinction ratio, insertion loss, drive voltage dan frequency bandwidth dikaji pada berbagai parameter material dan geometri untuk mendapatkan parameter yang optimal. Sehingga diperoleh hasil berupa :
1. Untuk memperbesar extinction ratio dan memperkecil insertin loss, pandu gelomang NLO harus memiliki konstanda absorpsi yang dan panjang modulator tidak terlalu besar.
2. Untuk memperkecil drive volatage maka jarak antar dua pandu gelomang harus kecil dan indeks bias pandu gelombang NLO harus besar.
3. Pemasangan elektroda dengan struktur symmetry coplanar yang memiliki nisbah G/W
(jarak antar elektroda dibagi lebar elektroda) yang besar dapat memperbesar bandwidth
4. Pengaruh kehadiran elektroda terhadap perambatan gelombang dapat diperkecil dengan menggunakan elektroda yang cukup tebal dari emas atau perak.
BAB III
PENUTUP
Jadi Modulator optik adalah suatu divais yang berfungsi memodulasi cahaya dengan cara mengubah-ubah amplitude, frekuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga mampu membawa sinyal info. Berdasarkan tempat terjadinya modulasi, ada 2 macam modulasi optik, sehingga dengan sendirinya ada 2 macam modulator, yaitu modulator internal (internal modulator) dan modulator eksternal (external modulator). Modulator internal memodulasi cahaya di dalam perangkat sumber cahayanya, sedangkan modulator eksternal memodulasi cahaya di luar perangkat sumber cahayanya. Berdasarkan interaksi antara sinyal masukan dengan media interaksi optik, maka terdapat tiga jenis modulator eksternal yaitu elekctro-optic, magneto-optic, dan acousto-optic. Setiap jenis modulator mempunyai kelebihan dan kelemahan masing-masing.
DAFTAR PUSTAKA
T. Suhara, M. Fujimura,”Waveguide Nonlinear-Optic Devices”, Springer, 2003. Francis T. S. Yu,Xiangyang Yang, Introduction to optical engineering, 1997.
