BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Gelombang terahertz (THz) adalah bagian dari spektrum elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berada di antara spektrum infrared dan microwave. Wilayah terahertz, atau juga dikenal sebagai kesenjangan terahertz, terletak sekitar antara 0,1 THz sampai 10 THz dalam spektrum elektromagnetik seperti ditunjukkan pada Gambar 1.1 (M. Tonouchi, 2007). Frekuensi terahertz berada pada gap antara frekuensi dalam cakupan sumber gelombang berbasis elektronik (electronics) dan Fotonik (photonic). Electronics mencakup solid state (seperti Gunn, IMPATT, MMIC dll) dan vacum electronics (klystron, BWO, TWT, gyrotron, magnetron dll) sedangkan fotonik mencakup laser dan segala jenis variannya. Sumber-sumber yang tersedia saat ini baik dari kelas elektronik maupun dari fotonik masih dengan keluaran pada level mikrowatt. Hingga saat ini pendeteksian sinyal ini hanya dimungkinkan dari jarak beberapa inci dari sumber gelombang karena apabila jarak semakin jauh, gelombang tersebut akan diserap oleh udara dan menghilang.
Sebelum ditemukannya sistem pembangkit gelombang terahertz, rentang frekuensi terahertz belum banyak dijangkau oleh aplikasi-aplikasi yang bermanfaat bagi kehidupan manusia. Generasi pertama sistem alat sumber radiasi terahertz dikembangkan oleh kelompok penelitian di The University of Colombia, yang dipimpin oleh Dan Grischkowsky sekitar tahun 1988 sampai 1989. Sejak ditemukannya spektrum gelombang terahertz, banyak para ilmuwan yang sangat tertarik untuk pengembangan teknologi terahertz hingga aplikasinya. Mulai dari pengembangan spektroskopi terahertz dan kemudian dengan cepat diaplikasikan sebagai metode analisi dalam pencitraan, biologi, kedokteran, kimia, dll.
Gambar 1.1 Spektrum gelombang terahertz
Terahertz merupakan sebuah teknologi yang akan memungkinkan untuk dapat mendeteksi material yang tersimpan di dalam suatu objek. Dengan menggunakan gelombang terahertz, dari jarak ratusan meter detektor akan dapat melihat, menembus berbagai material seperti tembok, pakaian, pembungkus paket, dll. Ide awal pengembangan gelombang terahertz adalah untuk mendukung sistem keamanan, yaitu untuk menciptakan suatu sumber radiasi pendeteksi bahan peledak atau obat-obatan. Hingga saat ini para ilmuwan telah berhasil mendeteksi sinyal dari jarak lebih dari 30 meter. Jarak ini merupakan jarak ruangan laboratorium yang digunakan. Namun secara teori dapat mendeteksi suatu material jarak ratusan kilometer jauhnya.
Perkembangan IPTEK saat ini sangat mendukung pemanfaatan detektor terahertz yang digunakan sebagai pelengkap keamanan airport untuk mendeteksi materi berbahaya/terlarang yang dibawa oleh penumpang yang disembunyikan di luar maupun di dalam pakaian mereka, gelombang terahertz juga dapat digunakan untuk menentukan komposisi kimia sebuah material, di bidang kesehatan gelombang ini bisa dimanfaatkan untuk mengenali tumor dan untuk menentukan lokasi kanker dari jaringan pada tubuh manusia secara langsung tanpa merusak jaringannya, juga potensial untuk terapi jika sumbernya cukup kuat, juga dapat digunakan untuk menemukan obyek hidup dalam suatu kejadian kebakaran. Dalam bidang komunikasi juga terutama antar satelit menjanjikan transfer data berlipat-lipat dari capaian saat ini (super-broadband).
Sumber radiasi terahertz ini juga dikenal sebagai salah satu kandidat pengganti sebagian fungsi sinar-X untuk imaging. Kelebihan sumber radiasi ini dibanding sinar-X adalah berenergi rendah, tak mengionisasi obyeknya (jauh lebih aman dari sinar-X). Kelebihan lain dibanding sinar-X, radiasi terahertz dapat difokuskan sehingga mudah dikontrol, frekuensi pun berimpitan dengan frekuensi spektrum dari molekul-molekul penting sehingga potensi terahertz dalam dunia spektroskopi untuk pendeteksian molekul - molekul sangatlah tinggi. Dengan semua potensi yang telah disebutkan di atas, tak heran penelitian mengenai dasar dan aplikasi gelombang terahertz telah meningkat semakin pesat.
Secara garis besar riset di bidang terahertz ini dibagi menjadi tiga bagian yaitu sumber, komponen (mencakup detektor, antena, filter, dll), dan applikasinya. Salah satu aplikasi yang paling menjanjikan adalah terahertz spektroskopi, baik berbasis waktu maupun frekuensi. Sebuah terahertz spektroskopi dibangun berbasis laser, sehingga cukup atraktif karena ukuran sistemnya secara keseluruhan sudah cukup compact. Adapun kelemahan dari sistem terahertz berbasis laser adalah daya keluarannya (output power) yang cukup rendah, dalam orde mikrowatt sampai milliwatt. Untuk spektroskopi keluaran dalam orde mikrowatt sudah cukup, tapi untuk aplikasi lain misalnya pemrosesan bahan diperlukan daya yang lebih tinggi dengan pelemahan daya rendah. Salah satu komponen yang paling potensial untuk menjaga daya dalam mentransmisikan gelombang terahertz adalah waveguide. Seperti telah dikatakan sebelumnya, bahwa gelombang ini sangatlah mudah terserap oleh udara atau material disekitarnya. Sehingga dalam pemanfaatannya gelombang ini perlu untuk dipandu agar mempunyai intensitas dan daya yang cukup stabil dari antenna pemancar melalui penerima.
Waveguide atau pandu gelombang adalah alat penting untuk mendapatkan transmisi efisien radiasi elektromagnetik. Dalam satu fungsi umum, Waveguide dapat membangun batas sinyal untuk ditransmisikan yang berasal dari pemancar ke antena penerima/detektor. Idealnya, Waveguide harus memiliki kerugian daya yang rendah, daya kopling tinggi, dispersi rendah, dan rentang frekuensi yang luas. Untuk tahap fabrikasi, karakteristik dari struktur pandu akurasi yang tinggi, fleksibilitas tinggi dan rendah biaya produksi dan penting bagi produksi massal.
Untuk itu bahan yang digunakan untuk memproduksi pandu juga harus dipilih secara hati-hati, terutama untuk pandu yang beroperasi di wilayah terahertz, karena sebagian besar bahan akan memiliki penyerapan kuat dalam rentang frekuensi ini. (S. Atakaramians, dkk, 2013)
Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk menyelidiki beberapa struktur pandu, serta pemilihan material untuk mengurangi kerugian transmisi dan dispersi. Logam biasa digunakan sebagai waveguide untuk gelombang mikro atau frekuensi radio. Co-planar dan satu-kawat waveguide, yang dikenal sebagai jalur transmisi, yang diusulkan dalam tahap awal pengembangan pandu terahertz. Sejak itu, pemandu radiasi terahertz dalam material sebagian besar dilakukan pada pandu logam tabung berongga, pandu pelat logam paralel, kawat logam dan kabel koaksial. Oleh karena itu, memandu terahertz dalam logam menawarkan keuntungan besar untuk mengurangi kerugian daya. (J. Anthony, dkk, 2013)
Sebagai tahap awal pengembangan sinyal frekuensi terahertz maka penulis melakukan penelitian di bidang waveguide untuk gelombang terahertz. Struktur terahertz waveguide yang disimulasikan dengan inti (core) berupa udara dan dilapisi oleh cladding bermaterial dielektrik dengan dua kawat logam yang tertanam. Rancangan pandu gelombang tersebut diuji secara numeris dengan menggunakan finite difference method (metode beda hingga). Salah satu software yang bisa digunakan adalah MODE solution yang dikembangkan oleh Lumerical Inc. Tujuan penanaman kawat logam adalah untuk memiliki kondisi batas logam. Sehingga, semua atau sebagian dari cahaya terbatas dalam wilayah inti. Kegiatan penelitian ini bertujuan untuk melakukan simulasi untuk meningkatkan performa dari sebuah desain awal waveguide yang sudah dieksperimenkan sebelumnya. Proses simulasi akan difokuskan pada pengembangan material dan model desain. Untuk mendapatkan hasil simulasi yang mendekati hasil sebenarnya, maka desain dalam simulasi yang digunakan akan diupayakan sedekat mungkin dengan karakter fisis yang sebenarnya. Dengan demikian diharapkan hasil simulasi yang diperoleh tidak terlampau jauh menyimpang dari keadaan sebenarnya, sehingga cukup akurat sebagai acuan (guide) dalam proses pembuatan waveguide sesungguhnya. Sehingga, nantinya akan dihasilkan desain
terahertz waveguide yang mempunyai desain sederhana dengan fleksibelitas desain yang tinggi namun tetap mempertahankan kerugian daya yang rendah.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah, perumusan masalah pada penelitian ini sebagai berikut:
1. waveguide sebagai media transmisi selalu berhadapan dengan masalah bagaimana caranya agar lebih banyak sinyal yang dipandu, lebih cepat dan lebih jauh penyampaiannya dengan tingkat pelemahan daya (atenuasi) sekecil-kecilnya.
2. Mendesain profil terahertz waveguide dengan atenuasi yang kecil menggunakan software Lumerical MODE Solution.
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Simulasi profil terahertz waveguide dengan menggunakan metode finite difference.
2. Simulasi terahertz waveguide didesani dengan berbagai variasi ukuran dan variasi jenis kawat logam yang ditanam pada sisi cladding.
3. Simulasi terahertz waveguide dengan memvariasikan ukuran dan letak posisi lubang kecil dan kawat logam tertananm pada sisi cladding.
4. Analisis karakteristik atenuasi pada simulasi terahertz waveguide.
5. Pengujian terhadap simulasi terahertz waveguide dilakukan pada frekuensi 0.3 – 1 THz.
6. Validasi hasil eksperimen dan simulasi terhadap atenuasi dan indeks efektif.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitia tugas akhir dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Melakukan simulasi terhadap terahertz waveguide berupa pipa plastik dengan kawat logam tertananm berbagai model desain.
2. Melakukan analisa atenuasi hasil simulasi terahertz waveguide.
3. Menghasilkan desain simulasi terahertz waveguide yang dapat menciptakan teknologi terahertz waveguide yang bagus, efektif dan efisien pada pemakaiannya dalam berbagai aplikasi teknologi.
4. Untuk memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
1.5 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah :
1. Dapat membuat perancangan profil terahertz waveguide yang lebih baik menggunakan metode finite difference.
2. Memperoleh desain terahertz waveguide dengan atenuasi yang rendah.
3. Diharapkan simulasi terahertz waveguide ini dapat digunakan sebagai acuan (guide) dalam pembutan terahertz waveguide sesungguhnya.
4. Diharapkan dengan simulasi ini dapat dihasilkan terahertz waveguide yang dapat difabrikasikan dengan mudah dan diaplikasikan secara luas didunia terahertz.
1.6 Metode Penelitian
Pada pelaksanaan tugas akhir ini digunakan metode studi literatur, konsultasi dengan pembimbing, perancangan simulasi, dan realisasi dalam bentuk prototype. 1. Metode Literatur
Studi pustaka sebagai persiapan dalam melakukan penelitian dengan mencari dan mengumpulkan referensi mengenai teori dasar, prinsip kerja, proses
refleksi gelombang dan teori mengenai Software Lumerical dari buku- buku, jurnal dan makalah.
2. Metode Konsultasi
Berkonsultasi secara interaktif dengan pembimbing I dan pembimbing II di Universitas Sumatera Utara Medan dan di Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Serpong.
3. Metode Analisis Numeris (Simulasi)
Melakukan penelitian simulasi secara langsung di Laboratorium Pusat Penelitian Fisika (P2F) Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Seropong. Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah perancangan desain profil terahertz waveguide menggunakan metode finite difference.
1.7 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemahaman maka penulis membuat sistematika pembahasan sebagai berikut :
Bab I Pendahuluan
Berisi mengenai latar belakang penulisan, rumusan masalah, batasan masalah dalam penulisan, tujuan penulisan, metodologi penulisan dan sistematika penulisan.
Bab II Tinjauan Pustaka
Pada bab ini berisi teori pendukung tentang teori-teori yang menyangkut teori-teori gelombang, simulasi waveguide dan teori tentang software lumerical.
Bab III Metodologi Penelitian
Pada bab ini dibahas mengenai perancangan profil desain terahertz waveguide menggunakan metode finite difference.
Bab IV Hasil dan Pembahasan
Pada bab ini berisikan analisa data yang mencakup karakteristik simulasi terahertz waveguide.
Bab V Kesimpulan dan Saran
Pada bab ini merupakan penutup yang meliputi tentang kesimpuan dari pembahasan hasil karakteristik dari perancangan profil desain terahertz waveguide menggunakan metode finite difference serta saran yang diperlukan untuk memperbaiki dan melengkapi kekurangan penelitian ini.
