RANCANG BANGUN SENSOR SUHU MENGGUNAKAN SERAT OPTIK BERSTRUKTUR SINGLEMODE- MULTIMODE-SINGLEMODE DAN OPTICAL TIME DOMAIN REFLECTOMETER

RANCANG BANGUN

SENSOR SUHU MENGGUNAKAN

SERAT OPTIK BERSTRUKTUR

SINGLEMODE-MULTIMODE-SINGLEMODE DAN

OPTICAL TIME DOMAIN REFLECTOMETER

OLEH : TEGAR BESTARIYAN

Sensor suhu konvensional yang sekarang digunakan seperti thermocouple memiliki beberapa kekurangan, serta keunggulan dari penggunaan serat optik sebagai sensor suhu seperti Long Period Gratings dan

Fiber Bragg Gratings

Perkembangan struktur serat optik

singlemode-multimode-singlemode untuk berbagai macam aplikasi sensor. (murah & fabrikasi mudah)

Kegunaan OTDR sebagai alat monitoring yang portable, serta mudah

pengoperasiannya

Bagaimana pembuatan dan optimasi serat optik SMS

sebagai sensor suhu?

Bagaimana penggunaan OTDR untuk mengukur suhu yang dikenakan pada serat optik?

Perancangan sensor dibatasi sebagai fungsi panjang multimode -singlemode graded index(ITU-T R G655) -multimode graded index( ITU-T RG651) dan Thorlabs IR

multimode step index.

Digunakan panjang gelombang operasi OTDR 1310 nm dan 1550 nm. Pengujian suhu dilakukan pada rangeperubahan suhu sebesar 40-Digunakan JDSU MTS 8000 Series dan Agilent E6000C

Mini OTDR untuk pengukuran rugi

daya.

Digunakan kenaikan suhu setiap 5°C dalam

pengujiannya

perancangan

sensor suhu

menggunakan

serat optik SMS

pengembangan

teknik

pengukuran suhu

menggunakan

OTDR.

TUJUAN

Agus Muhamad Hatta, et al, 2010, menganalisa pengaruh

suhu untuk keperluan mengukur panjang gelombang dengan menerapkan ratiometric power

measurementmenggunakan powermeteruntuk mengukur poweryang melewati struktur

SMS fiber [7].

Qian Wang et al, 2008,

melakukan investigasi pada struktur

singlemode-multimode-singlemodefiber. Pada

penelitian ini dijelaskan bagaimana merancang suatu

struktur SMS baik secara dengan Guided-Mode Analysis secara numerik dan eksperimen

yang dipengaruhi panjang

multimodefiber dan panjang

gelombang yang melewatinya [5].

Arun Kumar, et al, 2003,

menjelaskan secara teoritis karakteristik transmisi struktur

SMS fiber saat spot size

fundamental modedari singlemodedan multimode fiber

tidak cocok. Pada kasus tersebut power yang ditransmisikan sangat sensitif

terhadap operasi panjang gelombang dan panjang

multimodefiber yang digunakan

[8].

Saurabh Mani Tripathi, et al, 2009, menganalisa karakterisitik

pengukuran strain dan suhu menggunakan serat optik berstruktur SMS ,dimana sebelumnya serat optik

multimode graded index yang

telah diberi pengotor (dopped) dengan GeO2dan P2O5,dimana

kemudian akan diamati pergeseran spektral panjang gelombangnya akibat pengaruh

suhu melalui Optical Spectrum

Analyzers [4].

Sensor adalah suatu alat yang dapat mengukur besaran fisika

dan mengubahnya ke sinyal yang dapat dibaca oleh observer

atau sebuah instrumen

Beberapa karakteristik yang perlu diperhatikan : • Range • Linearitas • Span • Resolusi • Sensitifitas

SENSOR

STRUKTUR

CARA

KERJA

JENIS

KARAKTERISTIK YANG PERLU DIPERHATIKAN DALAM PENGOPERASIAN SMS PANJANG GELOMBANG OPERASI MULTIMODE • PANJANG • DIAMETER CORE • INDEKS BIAS

SINGLEMODE-MULTIMODE-SINGLEMODE FIBERS

OTDR

SET UP ALAT CARA KERJA RESPON

PENGARUH SUHU TERHADAP

SERAT OPTIK

• Panjang (L) • Diameter core (a) • Indeks bias (n) Perubahan

karakteristik serat optik:

menyebabkan

Perubahan propagasi moda

Diagram

alir

pengerjaan

TUGAS

AKHIR

Mulai Perencanaan dan desain sensor suhu

SMS fiber Pembuatan sensor suhu SMS fiber Uji suhu Sistem bekerja

Uji suhu dengan variasi jenis dan panjang multimode tidak

ya

Pengambilan data (respon &

transmitted power OTDR)

1

Analisa data statistik, pembahasan dan penarikan kesimpulan Penyusunan laporan dan penyampaian hasil laporan Selesai

Peralatan yang Digunakan

(PT. Telkom)

• Singlemode Fiber ITU-T G-655 Nonzero Dispersion Shifted Fiber (NDSF) • Attenuation @ 1550 nm = 0,2 db/km

• Chromatic Dispersion (CD) @ 1550 nm = 4.5 ps/nm-km • Arc Fusion Splicer FSM 50-S

• Optical Fiber Cleaver • Fiber Stripper

• JDSU MTS 8000 series OTDR

• Multimode fiber ITU-T G-651 (50/125) graded index • Magnetic Stirrer

• Digital Termometer 6001 Hoover Dam Technology (HDT) • Universal Closure (UC)

• Alkohol 99 %, Tissue • Patchcord Fiber

Gambar alat

a

b

e _{f g}

e=optical fiber stripper & cleaver

a= Arc Fusion Splicer FSM 50-S

b=SMF ITU-T G-655 f=JDSU MTS 8000 OTDR g=universal closure c c=MMF ITU-T G-651 h d h=digital termometer d=hot plate

Peralatan yang digunakan

(Lab. Rekayasa Fotonika)

• SMF-28(TM) fiber, Singlemode (Corning Optical fiber)

• Attenuation @ 1310 nm = 0,3 db/km

• Attenuation @ 1550 nm = 0,2 db/km

• Compact fusion splicer type-25e sumitomo electric

• FCV-21 Optical Fiber Cleaver

• Fiber Stripper clauss model no.CFS-2 for stripping 125 micron

fiber with 250 micron buffer coating

• Agilent Mini OTDR E6000C

• Multimode fiber step index Thorlabs

• Hot plate

Gambar alat

a

b

c

d e

c=optical fiber stripper a= fusion splicer

b=singlemode optical fiber (SMF-28)

Diagram

OTDR Laser

source SMS fiber sensor

Temperature controller

OTDR

photodetector OTDR signal conditioning OTDR trace _(results)

LabView (for automatic data

Diagram alir Perancangan

SMS fiber

Mulai

Pemilihan serat optik

singlemode & multimode Penentuan panjang gelombang operasi pada OTDR Penentuan panjang bagian serat optik

multimode Penyambungan serat optik SM dan MM menggunakan Fusion Splicer Penyusunan alat sesuai dengan desain

dan gambar

Pengujian suhu dan pengambilan data

( respon & data transmitted di OTDR) 2 selesai Sistem bekerja ya tidak

Parameter ukur OTDR (Telkom)



OTDR Type

: JDSU MTS 8000 series



Wavelength

: 1310 nm dan 1550 nm



Pulsewidth

: 10ns



Range

: 5,116 km



Optimize

: Dynamic



Sampling Distance

: 64 cm



Averaging Time

: 31 s for 1310 nm & 20 s

for 1550nm

Parameter ukur OTDR (Lab)



OTDR Type

: Agilent Mini OTDR E6000C



Wavelength

: 1314 nm



Pulsewidth

: 100ns



Range

: 4 km



Optimize

: Normal



Sampling Distance

: 7,8 cm



Averaging Time

: 10 s



IOR

: 1,446

display multi traces

perbandingan

antara respon SMS 6 cm pada suhu

40°C dan 200°C

200°C

Data Respon sensor SMS (1310 nm)

120; 6,309 195; 1,576 120; 6,106 195; 1,557 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 50 100 150 200 250 R ug i da ya (dB ) Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=5cm (1310 nm)

5cm (naik) 5cm (turun) 40; 1,891 200; 2,092 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1 2,15 R ug i da ya (d B )

Event loss response for Lmmf=5cm step index(1310 nm)

110; 2,369 200; 0,385 110; 2,294 200; 0,385 0 50 100 150 200 250 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 50 100 150 200 250 R ug i D ay a (dB ) Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=7cm (1310 nm)

7 cm turun (turun) 7 cm (naik) 90; 0,539 200; 2,902 90; 0,544 200; 2,902 0 50 100 150 200 250 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 50 100 150 200 250 R ug i d ay a (d B ) Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=6cm (1310 nm)

6 cm (turun) 6 cm (naik) 70; 2,056 140; 0,36 70; 2,443 0 50 100 150 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0,5 1 1,5 2 2,5 R ug i da ya (dB )

Event loss response for Lmmf=8cm (1310 nm)

8 cm (turun) 8 cm (naik)

Karaktersitik sensor SMS (1310 nm)

Karakteristik sensor

Lmmf (cm)

5 (MMSI) 5 (MMGI) 6 (MMGI) 7 (MMGI) 8 (MMGI

Range

Input

suhu (°C) 40-200 120-195 90-200 110-200 70-140

Output (naik) rugi

daya (dB) 1,891-2,092 1,576 – 6,309 0,544 -_2,902 0,385 – 2,294 0,335 – 2,443

Output (turun) rugi

daya (dB) - 1,557 – 6,106 0,539 –

2,902 0,385 – 2,369 0,36 – 2,056

Span

Input

suhu (°C) 160 75 110 90 70

Output (naik) rugi

daya (dB) 0,201 4,733 2,358 1,909 2,108

Output (turun) rugi

daya (dB) - 4,549 2,363 1,984 1,696

Resolusi (°C) 1,2658 1,49x10-2 _3,95x10-2 _4,06x10-2 _3,3x10-2

Linearitas 0,82249 0,978835 0,95284 0,949845 0,96837

Sensitivitas (dB/°C) 0,00079 0,06696 0,0253 0,024635 0,030275

Data Respon sensor SMS (1550 nm)

90; 0,218 195; 1,773 90; 0,281 195; 1,762 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 50 100 150 200 250 Rugi da ya (dB) Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=5cm (1550 nm

5 cm (naik) 5cm (turun) 85; 0,914 190; 0,107 85; 1,027 190; 0,172 0 50 100 150 200 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 R ug i d ay a (d B )

Event loss response for Lmmf=6cm (1550 nm)

6cm turun 6cm naik

115; 0,268 200; 1,826 115; 0,294 200; 1,826 0 50 100 150 200 250 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 50 100 150 200 250 R ug i da ya (dB ) Suhu (°C)

Event loss response for Lmmf=7cm (1550 nm)

5 cm (naik) 5 cm (turun) 65; 0,294 150; 1,455 65; 0,345 150; 1,912 0 50 100 150 200 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Ru gi da ya ( dB)

Event loss response for Lmmf=8cm (1550 nm)

8 cm (turun) 8 cm (naik)

Karaktersitik sensor SMS (1550 nm)

Karakteristik sensor

Lmmf (cm)

5 (MMGI) 6 (MMGI) 7 (MMGI) 8 (MMGI

Range

Input

suhu (°C) 85-195 85-190 115-200 65-150

Output (naik) rugi

daya (dB) 0,218 – 1,773 0,172 - 1,027 0,268 – 1,826 0,345 – 1,912

Output (turun) rugi

daya (dB) 0,281 – 1,762 0,107 –0,914 0,294 – 1,826 0,294 – 1,455

Span

Input

suhu (°C) 110 105 85 85

Output (naik) rugi

daya (dB) 1,555 0,855 1,558 1,567

Output (turun) rugi

daya (dB) 1,481 0,807 1,532 1,161

Resolusi (°C) 5,94x10-2 _1,28x10-1 _4,71x10-2 5,33x10-2

Linearitas 0,977525 0,983715 0,975435 _0,949225

Sensitivitas (dB/°C) _{0,01683 0,0078 0,02123 0,018745}

0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 50 100 150 200 250 R ug i d ay a (d B ) Suhu (°C)

Grafik respon rugi daya SMS multipoint terhadap perubahan suhu (1550nm)

SMS 1 (naik) SMS 1 (turun) SMS 2 (naik) SMS 2 (turun)

Pengukuran suhu menggunakan

SMS Multipoint

Karakteristik sms1 Sensitivitas: 0,005245 dB/°C Linearitas : 0,9756 Karakteristik sms2 Sensitivitas: 0,00109 dB/°C Linearitas : 0,3625

Kesimpulan

 Telah dilakukan pembuatan dan perancangan awal sensor suhu

menggunakan serat optik berstruktur SMS dan pengembangan teknik pengukuran suhu multipoint menggunakan OTDR JDSU MTS 8000 series dan Agilent E6000C Mini –OTDR. Sensor suhu dapat bekerja dengan baik untuk setiap panjang serat optik multmode 5, 6, 7, dan 8 cm dengan panjang gelombang 1310 dan 1550 nm.

 Sensor suhu serat optik berstruktur SMS dengan panjang serat optik

multimode dan panjang gelombang tertentu memiliki karakteristiknya masing-masing.

 Performansi terbaik untuk tiap penggunaan panjang gelombang :

◦ _{Panjang gelombang 1310 nm : panjang serat optik multimode graded index 5 cm}

dengan sensitivitas 0,06696 dB/°C, linearitas 0,978835, resolusi 1,49x10-2 _{°C dan}

hysteresis 7,18 %

◦ _{Panjang gelombang 1550 nm : panjang serat optik multimode graded index 5 cm}

dengan sensitivitas 0,01683 dB/°C, linearitas 0,977525, resolusi 5,94x10-2 _{°C dan}

Saran



Perlu dilakukan pemotongan serat optik multimode yang lebih

presisi dalam orde mikrometer agar hasil fabrikasi sensor

memiliki karakteritik yang sama.



Untuk elemen pengontrol suhu perlu menggunakan alat yang

lebih presisi dan tertutup agar pengaruh suhu pada serat

optik benar-benar terjaga dari pengaruh suhu

lingkungan,sehingga data hasil pengukuran lebih presisi.



Untuk pengukuran suhu pada serat optik berstruktur SMS

multipoint, dipertimbangkan kembali penggunaan panjang

serat optik multimode dan panjang gelombang operasi yang

cocok pada selisih jarak peletakan serat optik multimode

yang lebih pendek untuk mengetahui seberapa banyak serat

optik multimode yang dapat dipasang pada dynamic range

tertentu.

DAFTAR PUSTAKA

 [1] S.Wilson, Jon. 2004 . Sensor Technology Handbook. Elsevier: USA

 [2] Martha Marie Day, Ed.D., Anthony Carpi, Ph.D. "Temperature," Visionlearning Vol.SCI-1(5),2003.

http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=48

 [3] T. Venugopalan et al, 2010, Characterization of long period gratings written in three different types of optical fibre for potential high temperature measurements, City University.

 [4] Gholamzadeh, Bahareh and Nabovati,Hooman. 2008. Fiber Optic Sensors. World Academy of Science,

Engineering and Technology.

 [5] Qian Wang et al, 2008, Investigation on Single-Mode-Multimode-Single-Mode Fiber Structure.Journal

Of Lightwave Technology Vol.26,No.5.

 [6] Saurabh Mani Tripathi et al, 2009, Strain and Temperature Sensing Characteristics of Single-Mode– Multimode–Single-Mode Structures.

 [7] Hatta,Agus M. et al. 2010 . Strain sensor based on a pair of singlemode-multimode–singlemode fiber structures in a ratiometric power measurement scheme. Dublin Institute of Technology :Ireland

 [8] Ziemann, Olaf et al. 2008 . POF Handbook-Optical Short Range Transmission Systems.Springer

:Berlin

 [9] Anonim b. 2011. http://www.mfg.mtu.edu/cyberman/machtool/machtool/sensors/intro.html  [10] Anonim c.2007. http://chemiplus.net/dic/Sensors%20definition-13252F5/

 [11] PallaÁs-Areny, Ramon. 2001. Sensors and Signal Conditioning-2nd Edition. A Wiley-Interscience

publication:USA

 [12] Bentley, John P . 1995. Principles of Measurement Systems 3rd edition. Prentice Hall : USA  [13] Keiser, Gerd.1991. Optical Fiber Communication. McGraw-Hill Book : Singapore

 [14] Anonim d. 2011.

http://engineeringtown.com/kids/index.php?option=com_content&view=article&id=147:apa-itu-fiber-optik&catid=48:teknologi-komunikasi&Itemid=60

 [15] Hafid Erya P. 2011. Pengembangan Metode Pengukuran Strain Menggunakan Serat Optik Berstruktur Singlemode Multimode Singlemode Dan Optical Time Domain Reflectometer. ITS

:Surabaya.

 [16] Kumar,Arun et al. 2003. Transmission characteristics of SMS fiber optic sensor structures. Indian

Photonics

brings

you

to brighter

future

Ilustrasi Step & Graded Index

Modes

Respon SMS Multipoint

Self-imaging

Self-imaging

can be

defined as a property of

multimode waveguides

by which an input field

profile is reproduced due

to constructive

interference to form

single or multiple images

of the singlemode input

field at periodic intervals

along the propagation

direction of the guide.

Perhitungan titik re-imaging

(pendekatan guided mode analysis)

n

_co

=1,4446

λ1=1310 nm

λ2=1550 nm

a=50 µm

Lπ1 = 16.1,4446. 50

2

_{/10. 1310.10}

-3

= 4,410 cm

Lπ1 = 16.1,4446. 50

2

_{/10. 1550.10}

-3

= 3,728 cm

Modal Propagation Analysis

Singlemode Step

Index

Modal Propagation Analysis

Ujung Pertama

Ujung Terakhir

μ=w_S/w_M