KARAKTERISASI FIBER BRAG GRATING TERHADAP SUHU MENGGUNAKAN TEKNIK SAPUAN PANJANG GELOMBANG LASER

Transkripsi

1 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April hal KARAKTERISASI FIBER BRAG GRATING TERHADAP SUHU MENGGUNAKAN TEKNIK SAPUAN PANJANG GELOMBANG LASER Andi Setiono dan Bambang Widiyatmoko Group THz-Photonics, Bidang Instrumentasi Fisis dan Optoelektronika Pusat Penelitian Fisika LIPI Komplek PUSPIPTEK, Setu, Tangerang Selatan INTISARI Fiber brag grating (FBG) merupakan sensor optik yang bekerja berdasarkan efek resonan dari suatu kisi kisi indek bias, dimana panjang gelombang resonannya ditentukan oleh jarak kisi-kisinya. Dari prinsip tersebut maka bila jarak kisi-kisi berubah karena adanya perubahan suhu maka puncak panjang gelombang resonannya juga akan berubah. Perubahan puncak resonan diukur untuk mengetahui suhu yang mengenainya. Dalam skala laboratorium, karakterisasi FBG terhadap perubahan suhu dilakukan dengan menggunakan Amplified Spontaneous Emission (ASE) sebagai sumber cahaya dan Optical Spectrum Analyzer (OSA) sebagai alat untuk mendapatkan hasilnya. Namun teknik ini memerlukan peralatan mahal dan besar ukurannya sehingga tidak praktis dalam penggunaannya. Dalam penelitian ini diusulkan teknik sapuan (sweep) panjang gelombang laser untuk meng-karakterissasi FBG terhadap perubahan suhu yang mengenainya. Sumber cahaya dipakai Distributed Feedback (DFB) Laser dimana sapuan panjang gelombang dilakukan dengan merubah suhu operasi laser. Cahaya laser diteruskan ke FBG yang suhunya divariasi dan dikontrol menggunakan temperature control dengan ketelitian 0,1 o C. Selanjutnya daya laser yang diteruskan oleh FBG ditangkap photodetektor untuk menghasilkan tegangan yang sesuai dengan daya laser yang diterima. Hasil penelitian menunjukkan adanya hubungan linier yang baik antara suhu dengan panjang gelombang resonan dari FBG. Dengan demikian FBG dapat diaplikasikan secara potensial dalam sensor suhu. Kata kunci : Fiber Brag Grating, Laser diode, Sensor suhu, Resonant wavelength I. PENDAHULUAN Bragg grating merupakan suatu jenis kisi (Bragg) yang dapat difungsikan sebagai reflektor optik. Jika kisi Bragg ini disusupkan pada suatu serat optik (singlemode), maka akan terbentuk Fiber Bragg Grating (Kasyap, 2010). Fiber Bragg Grating ini merupakan suatu media transmisi yang difungsikan sebagai filter optik atau pun reflektor optik. Dalam serat optik kisi Bragg tersusun seperti segmensegmen yang terdistribusi dengan jarak yang sama. Dalam kondisi tertentu FBG akan memantulkan beberapa panjang gelombang optik tertentu dan meneruskan panjang gelombang optik tertentu juga (Ando, M et al., 2004; Keio Fujita et al., 2005). Mekanisme kerja dari FBG ditunjukkan dalam Gambar 1. Panjang gelombang cahaya pantul atau disebut brag wavelength sangat tergantung oleh suhu dari elemen FBG nya. Oleh karena satu element dari FBG hanya memantulkan cahaya dalam spektrum yang sempit, maka elemen FBG dapat dikombinasikan dalam beberapa elemen membentuk beberapa sensor atau disebut multiplexing sensor sistem (Kasyap, 2009). Gambar 1. Stuktur fiber brag grating beserta spektrum pantulan dan transmisi FBG memiliki karakteristik spesifik berupa panjang gelombang Bragg (λ B ). Nilai panjang gelombang Bragg ini dipengaruhi oleh beberapa keadaan diantaranya variabel suhu. Pada perancangan karakteristik FBG, perlu diketahui performa panjang gelombang Bragg ketika diberi gangguan suhu.

2 242 Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan Performa perubahan panjang gelombang Bragg pada tiap-tiap gangguan tersebut dapat diidentifikasi dengan teknik sapuan (sweep) panjang gelombang laser (Widiyatmoko, 2009). Inti dari teknik ini adalah memberikan beberapa sampling panjang gelombang tertentu kepada FBG dimana sumber sampling ini berasal dari pengkondisian suhu laser pada level yang bervariasi. Pada kegiatan tersebut, dicermati bahwa jika λ LD λ B maka power laser ditransmisikan maksimum dan jika λ LD = λ B maka power laser ditransmisikan minimum (maksimum dipantulkan/dibalikkan). II. METODE PENELITIAN 1. Perancangan Karakteristik FBG Dengan Teknik Sapuan Laser Dioda Untuk perancangan karakteristik FBG, diperlukan pengujian beberapa percobaan antara lain : a. Performa panjang gelombang laser terhadap perubahan suhu laser b. Performa panjang gelombang Bragg FBG dengan teknik sweep panjang gelombang laser c. Performa pergeseran panjang gelombang Bragg FBG akibat perubahan suhu FBG 2. Uji Linieritas Suhu Laser terhadap Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui performa linieritas antara suhu laser dengan panjang gelombang laser. Model pengujiannya dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 2. Rancangan percobaan uji stabilitas power optik laser dioda 3. Uji Performa Panjang Gelombang Bragg FBG Pengujian ini dilakukan untuk mengidentifikasi nilai panjang gelombang Bragg dari FBG dengan cara mentransmisikan cahaya laser yang memiliki suhu bervariasi. Variasi suhu ditetapkan 38 C 20 C dengan interval 0,1 C. Rancangan percobaan dapat dilihat pada Gambar 3. Gambar 3. Rancangan percobaan pengidentifikasian panjang gelombang Bragg FBG (λ B ) 4. Uji Performa Panjang Gelombang Bragg Dengan Suhu FBG Dikondisikan Terhadap Intensitas Transmisi dan refleksi FBG Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui performa pergeseran panjang gelombang Bragg FBG akibat pengaruh perubahan suhu. Suhu FBG dikondisikan pada 25 o C, 28 o C, dan 31 o C. Gambar 4. Rancangan percobaan pengidentifikasian pergeseran panjang gelombang Bragg akibat perubahan suhu FBG ( T B )

3 Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan 243 III. HASIL DAN PEMBAHASAN III.1. Pengujian Linieritas Terhadap Perubahan Suhu Laser Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui hubungan antara suhu laser dengan panjang gelombang laser, dimana dalam hal ini suhu laser diubah dengan menurunkan suhu laser tiap 0,1 o C dari suhu 38,0 o C sampai 20,0 o C. Interval suhu ditetapkan antara suhu 38,0 o C sampai 20,0 o C Dari data-data hasil pengujian diperoleh performa linieritas antara suhu laser dan panjang gelombang laser seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 5. Grafik Performa linieritas antara suhu laser dengan panjang gelombang laser Grafik tersebut menunjukkan bahwa suhu laser linier dengan panjang gelombang laser. Hal ini didukung oleh nilai keteraturan sebaran data pada grafik yang mendekati 1, yakni R 2 = 0,991. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa perubahan suhu laser identik dengan perubahan panjang gelombang laser, dimana semakin kecil suhu laser maka semakin besar panjang gelombang laser. III.2. Pengujian Keandalan FBGS Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui nilai panjang gelombang Bragg dari FBG yang digunakan di dalam penelitian ini. Dalam pengujian ini, sumber optik yang digunakan adalah DFB laser dioda dengan arus injeksi diset sebesar 50 ma. Nilai panjang gelombang dan daya optik diukur dengan OSA (I OSA ). Untuk data pembanding, intensitas optik juga diukur dengan menggunakan Powemeter (I PWM ). Data-data panjang gelombang dan intensitas transmisi optik yang diperoleh dari pengujian ini dideskripsikan pada Gambar 6.

4 244 Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan Gambar 6. Grafik performa panjang gelombang Bragg dan intensitas optik transmisi FBG dengan men-sweep sinar laser pada FBG Grafik tersebut memperlihatkan pergeseran panjang gelombang optik transmisi ketika FBG disweep dengan variasi suhu laser dengan interval suhu 0,1 o C. Interval suhu ditetapkan antara suhu 38 o C sampai 20 o C. Dari grafik dapat dicermati bahwa intensitas optik keluaran laser mula-mula ditransmisikan secara maksimal oleh FBG. Penurunan intensitas optik transmisi mulai mencolok ketika suhu laser diset sebesar 30,2 o C dengan λ=1551,42 nm, I OSA = -9,97 dan I PWM = -9,66 dbm. Hal ini menunjukkan bahwa mulai dari pengaturan suhu laser sebesar 30.2 o C, intensitas optik refleksi semakin besar. Intensitas optik transmisi minimum (intensitas optik refleksi maksimum) terjadi pada saat suhu laser diatur sebesar 28,4 o C dengan intensitas I OSA = -20,87, I PWM = -20,21 dbm dan panjang gelombang λ=1551,55 nm. Panjang gelombang yang terjadi pada saat intensitas optik minimum ini disebut panjang gelombang Bragg. Sweeping sinar laser terhadap FBG dilanjutkan dengan menurunkan suhu laser. Hasilnya menunjukkan bahwa performa intensitas optik transmisi semakin besar. Intensitas optik kembali ditransmisikan secara maksimum oleh FBG pada suhu 26,3 o C dengan λ=1551,71 nm, I OSA = -8,05 dan I PWM = -7,92 dbm. III.3. Uji Performa Panjang Gelombang Bragg Dengan Suhu FBG Dikondisikan Terhadap Penjalaran Intensitas Optik Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui performa pergeseran panjang gelombang Bragg ketika terjadi perubahan suhu pada FBG. Pada pengujian ini, suhu FBG diatur pada level suhu 25 o C, 28 o C dan 31 o0 C dengan menggunakan TCM1000T. Untuk tiap-tiap suhu FBG tersebut, FBG di-sweep menggunakan DFB laser dioda dengan interval suhu laser 0,1 o C. Pada pengujian ini juga diteliti seberapa besar nilai intensitas optik yang direfleksikan oleh FBG dengan memasang circulator optik diantara laser dan FBG. Data-data nilai panjang gelombang dan intensitas optik transmisi dan refleksi yang diperoleh dari pengujian ini dapat dilihat pada Gambar 7.

5 Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan 245 T= 25 o C T= 28 o C T= 31 o C Gambar 7. Grafik performa pergeseran panjang gelombang Bragg dan intensitas optik transmisi FBG dengan men-sweep sinar laser pada FBG serta suhu FBG dikondisikan pada T= 25 o C, T=28 o C dan T=31 o C. Dari grafik di atas dapat dicermati bahwa terjadi pergeseran panjang gelombang Bragg untuk tiap kondisi suhu yang diberikan pada FBG setelah FBG di-sweep dengan laser. Panjang gelombang Bragg bergerak dari kiri ke kanan yang berarti nilai panjang gelombang bragg FBG semakin besar dengan naiknya suhu FBG. Grafik di atas juga menjelaskan bahwa ketika panjang gelombang Bragg terjadi, nilai intensitas optik transmisi berharga minimum sedangkan nilai intensitas optik refleksi berharga maksimum. Nilai-nilai panjang gelombang Bragg untuk tiap kondisi suhu FBG dalam pengujian ini dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Nilai panjang gelombang Bragg untuk kondisi suhu FBG 25 o C, 28 o C, 31 o C. T FBG ( o C) λ B (nm) I T (dbm) I R (dbm) ,48-17,18-12, ,50-18,73-13, ,53-18,47-13,93 Dengan mencermati data pada Tabel 1, maka dari pengujian ini diperoleh nilai perbandingan antara perubahan frekuensi gelombang optik FBG dengan perubahan suhu FBG adalah sebesar 666,67 MHz/ o C. Hal ini berarti bahwa perubahan suhu yang dialami oleh FBG tiap 1 o C akan mengubah frekuensi gelombang optik FBG sebesar 666,67 MHz yang merupakan representasi dari perubahan nilai panjang gelombang Bragg tiap satuan derajad celcius. Nilai perubahan frekuensi optik FBG tiap 1 0 C dalam satuan MHz menunjukkan bahwa FBG sangat sensitive terhadap perubahan suhu. Dengan mengetahui performa sensor FBG terhadap suhu ini, dapat dibuat sensor strain tanah berbasis FBG yang memiliki keandalan untuk mengatasi perubahan-perubahan suhu bumi

6 246 Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan (geothermal), sehingga sensor akan memiliki tingkat keakuratan yang tinggi dalam mendeteksi strain tanah sekecil mungkin. Pada muaranya nanti dapat dirancang sistem pendeteksian dini terhadap tanah lonsor. IV. KESIMPULAN DAN SARAN Dalam penelitian ini telah ditunjukkan bagaimana teknik sapuan cahaya laser dilakukan, yaitu dengan cara mengubah suhu cahaya laser. Perubahan suhu laser ini menunjukkan hubungan linier yang baik dengan perubahan panjang gelombang laser. Teknik sapuan gelombang laser dapat digunakan untuk menentukan panjang gelombang brag dari suatu Fiber Bragg Grating (FBG) dan mengkarakterisasinya terhadap suhu. Dengan adanya perubahan suhu yang terjadi pada FBG maka panjang gelombang bragg akan berubah pula. Dari hasil penelitian diperoleh perbandingan antara perubahan frekuensi gelombang optik FBG dengan perubahan suhu FBG sebesar 666,67 MHz/ 0 C. Nilai perubahan frekuensi optik FBG tiap 1 0 C dalam satuan MHz menunjukkan bahwa FBG sangat sensitif terhadap perubahan suhu. Untuk penelitian yang berkaitan dengan karakteristik FBG dengan cahaya laser sangat disarankan untuk menjaga kestabilan arus laser dan bentuk FBG selalu dijaga dalam keadaan lurus. V. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis ucapkan terima kasih kepada Group Terahertz Photonic yang telah banyak membantu terlaksananya penelitian ini. Penelitian ini didanai oleh DIPA Pusat Penelitian Fisika LIPI. VI. DAFTAR PUSTAKA Kasyap, Raman Fiber Bragg Grating. Elsevier Inc. Burlington. pp Ando, M. et.al Dependence of Fiber Bragg Grating on its Length. Japanese Journal of Applied Physics Vol. 42, No 7A, pp Keio Fujita, et.al Dynamics Evolution of spectrum of Long-periode Fiber Bragg Grating. Applied Optics Vol 44, No 33, pp Widiyatmoko, dkk Pengembangan Sensor Strain Tanah Berbasis Fiber Bragg Grating untuk Deteksi Longsor. Prosiding Seminar Nasional Astechnova Vol 1 pp III TANYA JAWAB Gatot Wurdiyanto(PTKMR-BATAN)? Untuk panjang gelombang yang sama antar Bragg dipantulkan, yang tidak sama ditransmisikan. Bagaimana dengan panjang gelombang dari Bragg?? Panjang gelombang dimaksud apakah 1 panjang gelombang atau rentang tertentu? Andi Selama panjang gelombang masih berstatus tidak sama dengan panjang gelombang Bragg maka akan Yang dimaksud adalah 1 panjang gelombang