BAB II TINJAUAN PUSTAKA. 2.1 Sumber Cahaya, Detektor dan Serat Optik

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sumber Cahaya, Detektor dan Serat Optik Sistem komunikasi serat optik terdiri dari pemancar, serat optik, dan penerima. Salah satu piranti sistem transmisi serat optik adalah tranduser yang mengubah sistem sinyal optik pembawa informasi. Hal ini artinya pengubahan elektro-optis spectrum sinyal transmisi yang lebih baik, perubahan ini dicapai dengan menggunakan modulasi. Beberapa metode modulasi dapat dipakai, tetapi yang paling banyak digunakan adalah modulasi intensitas. 2.1.1 Sumber Cahaya Laser Berkas laser He-Ne mempunyai keistimewaan dibanding dengan sumber cahaya konvensional, yaitu berkasnya kecil dan sangat terarah, monokromatik, koheren, dan kecerahannya tinggi. Komponen utama laser He-Ne adalah zat aktif, cermin-cermin resonator, dan pemompa energi. Bahan aktif yang dipergunakan adalah campuran gas Helium (He) dan Neon (Ne) dengan perbandingan 7 : 1. Zat aktif ini ditempatkan pada sebuah tabung dengan tekanan 1 torr. Resonator terdiri dari dua buah cermin. Cermin pertama memiliki koefisien reflektivitas sampai 99,99% dan cermin kedua yang disebut dengan cermin keluaran adalah cermin penerus sebagian (partially transmitting). Masalah utama dalam laser gas adalah bagaimana atom dapat dirangsang secara terpilih ke tingkat tertentu dalam jumlah yang cukup untuk mencapai pembalikan populasi. Pemompaan elektrik ke dalam zat aktif akan menghasilkan 6

7 populasi elektron tereksitasi yang cukup memadai. Atom He ternyata lebih siap terangsang oleh kejutan elektron daripada atom-atom Ne. Interaksi antara elektronelektron yang dihasilkan oleh lucutan antara anoda dan katoda akan menghasilkan atom-atom He yang elektron-elektronnya tereksitasi. Aras yang dihuni oleh elektronelektron ini adalah 2s 3 dan 2s 1 yang metastabil. Jika suatu atom He dalam keadaan metastabil membentur atom Ne dalam keadaan dasar, maka akan terjadi pertukaran energi sehingga atom Ne akan naik ke tingkat 2s atau 3s dan atom He akan kembali ke keadaan dasar. Hal ini memungkinkan mekanisme populasi terpilih yang secara terus-menerus memberikan atom-atom Ne ke tingkat-tingkat 2s dan 3s yang akan menaikkan populasinya. Mekanisme pembalikan populasi pada zat aktif dapat diamati pada Gambar 2.1. Gambar 2.1. Skema tingkat energi He-Ne (Laud, 1988) 2.1.2 Detektor diode Fotodetektor adalah komponen penting dalam sistem komunikasi optik yang merubah sinyal optik ke dalam sinyal informasi elektrik kemudian dikuatkan dan diproses agar diperoleh sinyal tranmisi yang lebih baik.

8 Pada fotodiode semikonduktor, proses deteksi dasar terdiri dari pembangkit pasangan lubang elektron foton. Proses ini dimulai di sekitar sambungan p-n, terdapat dua ragam deteksi. Pada ragam fotovoltaik, elektron dihimpun secara difusi ke satu sisi sambungan dan lubang ke sisi lain. Ragam ini berkaitan dengan diode tak terpanjar. Tiap jenis pembawa muatan dikonsentrasikan pada sambungan yang berbeda. Hal ini menghasilkan tegangan pada kaki sambungan dan arus akan mengalir bila piranti ini dibebani. Pada ragam kedua, yaitu ragam fotokonduktif, lubang dipisahkan dari elektron oleh medan elektrik tinggi seperti di dalam lapisan kosong sambungan p-n terpanjar mundur. Hanyutan pembawa muatan pada lapisan kosong mengimbas arus di luar untai. Hubungan antara arus dan tegangan fotodiode diberikan oleh: I=Io{exp(eV/γkθ)-1}-I p (2.1) Dengan Io adalah arus gelap, γ adalah faktor yang menyatakan kualitas sambungan, dan Ip adalah arus foto. Jika tenaga foton sama atau lebih besar dari pada sela pita energi semikonduktor, maka pasangan lubang elektron dapat dibangkitkan. Pada fotodiode proses ini terjadi di dalam lapisan kosong sambungan p-n, tempat cahaya yang datang diserap. Medan elektrik tinggi di daerah ini menyebabkan lubang-elektron terpisah. Pembawa muatan yang dibangkitkan di luar lapisan ini dapat menyumbat arus foto. Semakin besar tegangan panjar mundur, maka daerah kosong lebih besar dan kapasitansi sambungan semakin berkurang. Selanjutnya makin banyak foton yang

9 diserap dan kecepatan hanyut pembawa muatan bertambah sehingga fotodiode lebih cepat dan lebih peka. Jika kuat medan di dalam daerah kosong cukup besar untuk Si kuat medannya lebih dari 10 5 Vm -1 ), pasangan lubang-elektron dapat memperoleh energi yang cukup dari medan untuk menimbulkan tumbukan ionisasi yang akan menciptakan pasangan lubang-elektron yang baru. Selanjutnya pasangan yang baru terbentuk ini dapat menyebabkan tumbukan ionisasi hingga terjadi longsoran pembawa muatan. Selama tegangan diode di bawah tegangan dadal, jumlah pembawa muatan terbatas dan sebanding denagn jumlah pembawa muatan utama ( pembawa muatan utama ini langsung dibangkitkan oleh). Penguatan rata-rata bergantung pada frekuensi sinyal informasi, dapat ditulis: G(ω)= G o /(1+( ω G o τ)) (2.2) Dengan τ, G, dan ω masing-masing adalah tetapan waktu yang bergantung pada struktur diode, penguatan, dan frekuensi. 2.1.3 Serat Optik Serat optik adalah pandu gelombang atau media transmisi gelombang cahaya yang terbuat dari bahan transparan berbentuk silinder dengan indeks bias tertentu yang digunakan untuk merambatkan energi elektromagnetik/cahaya pada frekuensi antara 300 600 Tera Hertz (frekuensi optik). Serat optik memiliki beberapa bagian yakni core, cladding (selubung core), dan coating (jaket).

10 Gambar 2.2 Penampang Serat Optik core adalah sebuah batang silinder terbuat dari bahan yang tidak menghantarkan listrik / dielektrik (bahan silika (SiO 2 ), biasanya diberi doping dengan germanium oksida (GeO 2 ) atau fosfor pentaoksida (P 2 O 5 ) untuk menaikan indeks biasnya, core ini memiliki jari-jari yang besarnya sekitar 8 200 μm dan indeks bias (n 1 ) sekitar 1,5. Selubung core (cladding) yaitu material yang melapisi inti, terbuat dari bahan dielektrik (silika tanpa atau sedikit doping), selubung inti memiliki jari-jari sekitar 125 400 μm dengan indeks bias (n 2 ) yang besarnya sedikit lebih rendah dari n 1. Jaket (coating), bagian ini merupakan pelindung lapisan inti dan cladding yang terbuat dari bahan plastik yang elastis. Ada beberapa jenis serat optik, yaitu: Multimode Step Indeks Pada jenis Multimode step indeks ini, diameter core lebih besar dari diameter cladding. Dampak dari besarnya diameter core menyebabkan rugi-rugi dispersi pada waktu transmisi. Penambahan prosentase bahan silika pada waktu pembuatan, tidak terlalu berpengaruh dalam menekan rugi-rugi dispersi pada waktu transmisi. Berikut adalah gambar dari perambatan gelombang dalam serat optik

11 Gambar 2.3 Perambatan Gelombang pada Multimode Step Indeks Multimode Graded Indeks Pada jenis serat optik multimode graded indeks ini, core terdiri dari sejumlah lapisan gelas yang memiliki indeks bias yang berbeda, indeks bias tertinggi terdapat pada pusat core dan berangsur-angsur turun sampai ke batas core-cladding. Berikut adalah gambar perambatan gelombang dalam Multimode Graded Indeks : Gambar 2.4 Perambatan Gelombang pada Multimode Graded Indeks Singlemode Step Indeks Pada jenis Singlemode Step Indeks, baik core maupun claddingnya dibuat dari bahan silica glass dengan ukuran core yang jauh lebih kecil dari cladding sehingga transmisi data hanya menggunakan satu lintasan cahaya. Metode semacam ini dapat menghindarkan ketidak akuratan yang dapat terjadi dalam penyaluran data. Seperti ditunjukkan gambar berikut :

12 Gambar 2.5 Perambatan Gelombang pada Singlemode Step Indeks Untuk memudahkan pemahaman mekanisme pemanduan gelombang cahaya dalam serat optik step-indeks, digunakan teori sinar dalam mendeskripsikan perambatan muka gelombang cahaya seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.6 berikut. Gambar 2.6 Sketsa perambatan sinar pada serat optik step-index. Penerapan hukum Snellius dilakukan pada proses pemantulan dan pembiasan sinar pada bidang batas antara dua medium yang berbeda. Pada bidang batas antara core dan cladding dalam Gambar 2.6, jika sudut diperbesar secara gradual maka pada sudut θ tertentu, sinar akan dirambatkan pada bidang batas kedua medium yaitu bidang batas core dan cladding (sinar tidak dibiaskan pada cladding). Pada saat θ mencapai kondisi ini dinamakan sudut kritis ( )

13 (2.3) Untuk mengetahui sudut sinar masukan pada bagian core serat optik agar sinar dapat terpandu, diterapkan hukum Snellius pada bidang batas antara core dan udara. Agar sinar dapat terpandu, maka sudut = dengan demikian persamaan Snellius menjadi : 2 1 2 1 sin C 2 (2.4) dengan adalah indeks bias udara yang nilainya 1, maka dengan menggabungkan persamaan (2.2) dan (2.3) dapat dituliskan kembali menjadi persamaan berikut. (2.5) Persamaan (2.4) menunjukkan hubungan antara sudut masukan sinar dengan indeks bias ketiga medium yang berinteraksi. Hubungan tersebut dinyatakan sebagai tingkap numeris atau NA (numerical aperture), sehingga nilai NA serat optik dapat ditulis sebagai berikut.

14 persamaan: (2.6) didefinisikan beda indeks bias antara core dan selubung ( ) menurut perbedaan nilai n 1 dan n 2 sangat kecil sehingga, oleh sebab itu: (2.7) Nilai Δ berkisar sampai untuk serat optik multimode dan sampai untuk serat optik singlemode (Keiser, 1991). Nilai NA untuk serat optik step-index berkisar antara, serat optik graded-index di sekitar (Hoss, 1993). Untuk serat optik step-index multimode dari bahan plastik berdiameter core besar, nilai NA antara (Krohn, 2000). 2.1.3.1 Fiber Coupler Serat Optik Fiber Coupler serat optik adalah perangkat optik yang berfungsi sebagai pemecah (splitter) berkas cahaya, pembagi daya (power divider), optikal switching, divais WDM, divais interferometer baik Michelson maupun Mac Zehnder serta divais optik yang lain (Fernando, 2007)..

15 Fiber coupler yang tersusun dari dua buah serat optik mempunyai empat buah port dan disebut fiber coupler serat optik struktur simetri 2x2. Skema fiber coupler serat optik struktur simetri 2x2 yang dibuat dengan metode fused biconical tapered diperlihatkan pada Gambar 2.7 berikut. Gambar 2.7. Fiber coupler Struktur Simetri 2x2 Berbahan Serat Optik dengan Metode Fused Biconical Tapered (Fernando, 2007) Dengan mengacu pada Gambar 2.7, parameter-parameter tersebut dituliskan dalam persamaan-persamaan sebagai berikut : (2.8) (2.9) (2.10) 2.1.3.2 Directional Coupler Sebagai Pergeseran (2.11) Desain directional coupler sebagai sensor pergeseran terdiri dari laser, detector, directional coupler dan cermin (target) diperlihatkan pada gambar. Laser Input Port Coupler Detektion port Detektor Gambar 2.8 Desain displacement sensor Planar mirror

16 Prinsip pengukuran pergeseran z adalah dengan cara membandingkan daya optik cahaya pantulan dari cermin yang dikopel balik port sensing terhadap daya optik cahaya yang dipancarkan oleh sumber melalui port sensing. Besarnya daya optik cahaya yang diterima detektor (Pd) melalui port deteksi bergantung pada jarak antara port sensing dari permukaan cermin. Hubungan perubahan daya optik cahaya akibat pergeseran cermin dengan menggunakan pendekatan berkas elektromagnet Gaussian diberikan oleh persamaan berikut: 2 P= P 0 1 exp 2 (2.12) cz 1 Pi, Po dan z masing-masing menyatakan daya optik cahaya yang dierima sensing port, daya total cahaya dan pergeseran cermin. Sedangkan konstanta C=(2 tan sin -1 NA) / a (2.13) NA dan a masing-masing adalah tingkat numerik dan jari-jari serat optik( Samian dkk, 2009). Adapun di pasaran, fiber coupler multimode yang berbentuk Y yang memiliki rasio daya pisah cahayanya 50 : 50. Fiber coupler ini dapat dilihat seperti pada gambar 2.9 berikut: Ujung spliter 1 50% Intensitas 100% Ujung transmiter Ujung spliter 2 50% Gambar 2.9 Fiber coupler multimode splitter 1x2 dengan rasio 50:50

17 2.2 Pengertian Sensor Sensor adalah suatu peralatan yang berfungsi untuk mendeteksi gejala-gejala atau sinyal-sinyal yang berasal dari perubahan suatu energi, seperti: energi listrik, energi fisika, energi kimia, energi mekanik dan sebagainya (D Sharon dkk, 1982). Dalam memilih peralatan sensor yang tepat dan sesuai dengan sistem yang akan di sensor, maka persyaratan umum sensor yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut. a. Linearitas Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinu. Contohnya, sebuah sensor ketinggian dapat menghasilkan tegangan sesuai dengan ketinggian yang dirasakannya. Dalam kasus seperti ini, biasanya dapat diketahui secara tepat bagaimana perubahan keluaran dibandingkan dengan masukannya berupa sebuah grafik. Gambar 2.10 memperlihatkan hubungan antara tegangan listrik sebagai fungsi dari ketinggian fluida.

18 0.12 Tegangan keluaran detektor (V) 0.10 0.08 0.06 0.04 y = 0.1309x + 0.0711 R² = 0.9914 0.02 0.04-0.24 (m) 0.00 cm 0.0 0.1 0.2 0.3 Tinggi Bensin (m) Gambar 2.10. Grafik Tegangan Keluaran Detektor terhadap Perubahan Ketinggian Permukaan Bensin (Hadi Suntaya, 2011) b. Sensitivitas Sensitivitas akan menunjukkan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan. Misalnya, beberepa sensor panas dapat memiliki kepekaan yang dinyatakan dengan satu volt per derajat, yang berarti perubahan satu derajat pada masukan akan menghasilkan perubahan satu volt pada keluarannya. Sensor panas lainnya dapat saja memiliki kepekaan dua volt per derajat, yang berarti memiliki kepakaan dua kali dari sensor yang pertama. Linearitas sensor juga mempengaruhi sensitivitas dari sensor. Apabila tanggapannya linier, maka sensitivitasnya juga akan sama untuk jangkauan pengukuran keseluruhan.

19 c. Resolusi Nilai resolusi sistem sensor adalah satuan ukuran terendah yang dapat dibaca oleh sensor, atau dengan kata lain resolusi merupakan nilai perubahan terkecil dari input sensor yang dapat mengubah output sensor (Joseph J. Carr, 2010). d. Tanggapan waktu Secara umum sensor tidak mengubah parameter keluaran segera ketika perubahan parameter masukan terjadi. Sebaliknya, itu akan berubah menjadi keluaran baru selama periode waktu tertentu yang disebut tanggapan waktu. Tanggapan waktu dapat didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk output sensor untuk berubah dari keadaan sebelumnya ke nilai parameter keluaran. 2.3 Pengertian Fluida Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk ketika ditekan. Oleh karena itu yang termasuk fluida hanyalah zat cair dan gas. Fluida terbagi dua : - fluida statis (hidrostatis) - fluida dinamis (hidrodinamis)

20 2.3.1 Jenis Aliran Aliran dapat diklasifikasikan (digolongkan) dalam banyak jenis seperti: turbulen, laminar, nyata, ideal, mampu balik, tak mampu balik, seragam, tak seragam, rotasional, tak rotasional. 2.3.2 Persamaan Hidrostatik (Tekanan) Secara umum tekanan didefinisikan sebagai gaya (F) per satuan luas (A) yang bekerja tegak lurus terhadap permukaan (Giancolli, 2001). Dan dapat dinyatakan dengan : (2.14) Satuan tekanan dalam SI adalah N/m 2. Satuan ini mempunyai nama resmi Pascal (Pa), untuk penghormatan terhadap Blaise Pascal dipakai 1 Pa = 1 N/m 2. Namun untuk penyederhanaan, sering menggunakan N/m 2. Satuan lain yang digunakan adalah dyne/cm 2, lb/in 2, (kadang disingkat dengan psi ), dan kg/cm 2 (apabila kilogram adalah gaya : yaitu, 1 kg/cm 2 = 10 N/cm 2 ). Persamaan (2.14) bukan suatu tekanan mutlak/absolut dari dasar wadah karena tidak diperhitungkan adanya tekanan udara yang mempengaruhi cairan tersebut. Tekanan mutlak adalah penjumlahan tekanan udara/atmosfir dengan tekanan cairan yang memiliki persamaan sebagai berikut, (2.15) dengan, ρ,, dan h, masing-masing adalah tekanan atmosfir, kerapatan zat cair, percepatan gravitasi, dan tinggi zat cair.

21 2.3.3 Persamaan Kontinuitas Pada gambar 2.12, jika fluida tersebut tidak dapat ditekan ( tidak berubah terhadap tekanan) yang merupakan pendekatan untuk zat cair dalam sebagian besar kondisi maka dan persamaan kontinuitas menjadi, (2.16) V 1 A 1 A 2 V 2 Gambar 2.12 Aliran fluida melalui saluran yang berbeda luas penampangnya 2.3.4 Persamaan Bernoulli v2 v1 P 1 P 2 h2 h1 Gambar 2.13 Aliran fluida melalui saluran pipa Dalam kondisi lain, jika saluran pipa titik 1 dan titik 2 berbeda pada ketinggiannya maka berlaku persamaan Bernoulli, lihat gambar di bawah ini, Pada Gambar 2.13, menurut prinsip kerja energi, kerja total yang dilakukan pada sistem sama dengan perubahan energi kinetiknya, dengan demikian persamaan di atas menjadi,

22 Massa m mempunyai volume =, berarti kita bisa mensubstitusikan, dan juga nantinya dibagi dengan sehingga didapatkan: maka dilakukan penyusunan ulang untuk mendapatkan persamaan Bernoulli, yaitu: dimana; P = tekanan fluida ( ) v = kecepatan aliran ( ) ρ = massa jenis fluida ( ) = gravitasi bumi ( ). (2.17) 2.4 Alat-alat Flowratemeter Alat ukur aliran fluida umumnya ada dua yaitu : 1. Venturimeter 2. Pitot tubes Pada dasarnya prinsip kerja dari kedua alat ukur ini adalah sama yaitu bila aliran fluida yang mengalir melalui alat ukur ini mengalir maka akan terjadi perbedaan tekanan sebelum sesudah alat ini. Beda tekanan menjadi besar bila laju aliran yang diberikan kepada alat ini bertambah.

23 2.4.1 Venturimeter Jika aliran melalui venturi meter itu benar-benar tanpa gesekan, maka tekanan fluida yang meninggalkan meter tentulah sama persis dengan fluida yang memasuki meteran dan keberadaan meteran dalam jalur tersebut tidak akan menyebabkan kehilangan tekanan yang bersifat permanen dalam tekanan. Gambar 2.14 Desain venturimeter Berlaku persamaan Bernoulli dimana h 1 =h 2 =H, sehingga: (2.18) Karena berlaku persamaan kontinuitas,, maka: 1 2 A1 = v1 ( 1) 2 A2 2 Selisih ketinggian fliuda (ΔH=H 1 -H 2 ) pada gambar 2.14 mengakibatkan perbedaan tekanan fluida (P 1 -P 2 ) pada kedua luas penampang, sehingga: 1 2 A1 gh v1 ( 1) 2 A2 2

24 v 1 v 1 2gH A A2 2 1 1 Persamaan lain yang dapat diturunkan dari Persamaan 2.18 : 2( P1 P2 ) 2 A 1 1 A2 (2.19) (2.20) Persamaan 2.20 adalah persamaan yang digunakan untuk menentukan besarnya laju aliran fluida dengan mengukur selisih tekanan (P 1 - P 2 ) pada kedua penampang tabung venturi. 2.4.2 Pitot tubes Pitot tubes mengukur besaran aliran fluida dengan jalan menghasilkan beda tekanan yang diberikan oleh kecepatan fluida itu sendiri dapat dilihat pada Gambar 2.15. Sama halnya seperti plate orifice, pitot tubes membutuhkan dua lubang pengukuran tekanan untuk menghasilkan suatu beda tekanan. Pada pitot tubes ini biasanya fluida yang digunakan adalah jenis cairan dan gas. Pitot tubes terbuat dari stainless steel dan kuningan. Gambar 2.15 Tabung Pitot