FABRIKASI DAN KARAKTERISASI DIRECTIONAL SINGLE DAN DOUBLE COUPLER PADA BAHAN SERAT OPTIK PLASTIK STEP INDEX MULTIMODE TIPE FD-620-10 LUCKY PUTRI RAHAYU NRP 1109 100 012 Dosen Pembimbing Drs. Gatut Yudoyono, M.T.
PENDAHULUAN
LATAR BELAKANG Directional coupler berfungsi sebagai komponen optical switching, multiplexing, pemecah berkas (splitter) dan pemecah daya atau power divider. Fabrikasi directional coupler singlemode maupun multimode berbentuk pandu gelombang slab masih sulit dilakukan dan membutuhkan peralatan yang rumit. Fabrikasi directional coupler dengan metode Fused Biconical Tapered (FBT) pada bahan serat optik plastic step index multimode (Sekartedjo dkk, 2007)
Metode Fused Biconical Tapered (FBT) pada bahan serat optik plastic step index multimode tipe FD-320-05 (diameter serat optik 0,5 mm) Directional coupler yang dihasilkan memiliki coupling ratio 0,31 dengan daerah panjang interaksi kopling antar serat optik 25 mm. (Supadi dkk, 2006). Directional coupler pada bahan serat optik plastic step index multimode tipe FD-620-10 (serat optik diameter core yang cukup besar) dengan panjang kopling lebih besar dari 25 mm Diperoleh nilai coupling ratio 0,498 dengan daerah panjang kopling lebih besar dari 25 mm, yang sesuai untuk divais pembagi daya (power divider) (Edy Hariyanto,2011). Directional single dan double coupler dari bahan serat optik plastic step index multimode tipe FD-620-10 dengan panjang kopling 28 mm dan 34 mm.
PERMASALAHAN Bagaimana fabrikasi dan karakterisasi directional single dan double coupler dari serat optik plastik (POF) step index multimode tipe FD-620-10 dengan panjang kopling 28 mm dan 34 mm? TUJUAN Fabrikasi directional single dan double coupler degan panjang kopling 28 mm dan 34 mm Karakterisasi menggunakan web camera dan BF5R-D1-N sehingga diperoleh parameterparameter coupling ratio (CR), Crosstalk (Ct), excess loss (Le) dan insertion loss (Lins).
TINJAUAN PUSTAKA
SERAT OPTIK Pandu gelombang dielektrik yang berperan sebagai media transmisi gelombang cahaya yang berbentuk silinder dan biasanya terbuat dari bahan plastik atau silica Gambar 1 Struktur dasar penyusun serat optik (Keiser, 1984)
Perbedaan indeks bias antara core dan cladding dibuat besar, selisih indeks bias antara core dan cladding didefinisikan sebagai fraksi indeks bias. Struktur dan Sifat Transmisi = n 1 2 n 2 2 2n 1 2 n 1 n 2 n 1 (1) Single mode Multimode Serat Optik Penjalaran Gelombang melalui Inti Step index Graded Index
Gambar 2 Struktur serat optik multimode step-index dan gradded-index serta profil indeks biasnya (Keiser, 1984)
Mekanisme Pemanduan Gelombang Cahaya Dalam Serat Optik Gambar 3 Refleksi dan refraksi berkas cahaya pada bidang batas dua medium Transmisi cahaya ke dalam serat optik
Pada sudut θ tertentu sinar akan dibiaskan dalam arah sejajar bidang batas dan sudut Ø pada keadaan tersebut dinamakan sudut kritis yang dilambangkan dengan θ c θ c = aaaaaa n 2 n 1 (2) Penerapan hukum Snellius pada sudut sinar masukkan ke dalam inti serat optik. n 0 sin θ a = n 1 sin θ sin θ a = n 1 2 n 2 2 NN = n 1 2 n 2 2 (3) (4) Perbedaan nilai n 1 dan n 2 sangat kecil, sehingga nilai Δ juga kecil NN = n 1 Untuk serat optik step-index multimode dari bahan plastik berdiameter core besar, nilai NA antara 0,3-0,5. (Krohn, 2000) 2 (5)
Directional Coupler Divais optik tersebut tersusun atas dua pandu gelombang yang saling berdekatan dalam orde panjang gelombang optik. Divais ini dapat mendistribusikan daya optik ke dua port atau lebih, atau sebaliknya menggumpulkan daya optik ke port tunggal. Secara sederhana divais coupler dapat buat dari serat optik multimode yaitu dengan cara memadukan atau menggabungkan dua buah serat optik multimode dengan panjang interaksi tertentu dengan tekhnik FBT (Fused Biconical Taperred) (Supadi dkk, 2006).
Sebuah directional coupler yang tersusun dari dua buah serat optik mempunyai empat buah port disebut directional coupler berstruktur simetri 2 x 2 Gambar 4 Directional coupler struktur simetri 2 x 2 (Iga dan Kokubun, 2006)
Parameter-parameter pokok dalam divais Directional coupler optik antara lain: Splitting atau Coupling ratio (CR), proporsi perbandingan antara daya output terhadap masing-masing daya CC = P BB (P BB + P AA ) (6) output. Nilai CR diperoleh dari saluran keluaran, yaitu port A2 dan port B2 (Crisp and Elliott, 2005) (Farrei, 2002) Insertion loss, (L ins ), yaitu rugi yang terjadi akibat daya dari saluran masukan coupler serat optik terdistribusi di antara saluran keluaran dengan port A2 dan port B2. (Crisp and Elliott, 2005) (Supadi dkk, 2006) L iii = 10 log P AA P AA dd (7)
Exceess loss (L e ), adalah Rugi daya total yang dinyatakan dengan persamaan (Crisp and Elliott, 2005) (Supadi dkk, 2006): L e = 10 log P j p i dd = 10 log P AA + P BB P AA dd (8) Direktivitas (directivity) atau Crosstalk dari coupler optik diukur antar port-port masukan directional coupler, yaitu (Crisp dan Elliott, D = C t = 10 log P BB P AA dd (9) 2005) (Supadi dkk, 2006)
Tabel 1. Karakteristik Coupler standar hasil fabrikasi industry untuk serat optik (Jones Jr dan William B., 1988) (Supadi dkk, 2006). Design Class 2 x 2 Single Mode Jumlah Port CR (%) Toleransi Le CR 2 0.5 2 0.25 2-15 % 0.07-1 2 0.1 D 40-55 2 x 2 Multi Mode 2 0.5 2 0.25 2 0.1 2 0.0625 5 10 % < 1 35-40 1-2
METODOLOGI PENELITIAN
ALAT Laser dioda Web camera Bor akrilik BF5R-D1-N Selotip Pemotong fiber Gunting dan cutter Alat pemoles Alat penggandeng Power supply Penjepit buaya Magnetic holder Personal computer Kabel USB BAHAN Kaca akrilik Lem epoxy Alkohol 70 % Kertas gosok Serat optik step index multimode tipe FD-620-10 Benang Pipa kecil (selongsong bekas bulpoin)
Tahap Persiapan Pembuatan Alat Pengupas Coating dan Cladding. Pembuatan Set up alat pada proses karakterisasi menggunakan web camera. Tahap Fabrikasi Directional Single dan Double Coupler Tahap Pengupasan Coating dan Cladding Tahap Pemolesan Tahap Penggandengan Karakterisasi Directional Single dan Double Coupler Hasil Fabriksi Menggunakan web camera. Menggunakan BF5R-D1-N. Gambar 5 Diagram alir penelitian
Pada tahap persiapan Pembuatan alat pengupas coating dan cladding dirancang untuk mengupas serat optik dengan panjang kupasan 28 mm dan 34 mm. Gambar 6 Desain Rancangan Alat pengupas coating dan cladding Gambar 7 Alat pengupas coating dan cladding
Pembuatan set up alat pada proses karakterisasi menggunakan web camera Gambar 8 Tempat fiber untuk input dan output pada proses kaarakterisasi pada web camera
Proses Fabrikasi Fiber optik dikupas dengan panjang daerah kupasan 28 mm dan 34 mm dengan jarak kupasan yang pertama dan kedua 10 cm untuk double coupler. Pada daerah kupasan digosok menggunakan kertas gosok dari mess yang kecil hingga besar (500,800,1000,1200 ) Sebelum di gandeng pada daerah yang telah dikupas dbersihkan menggunakan Alkohol 70%
Tahap penggandengan directional coupler
Gambar 9 Hasil fabrikasi Directional double coupler (a) panjang kopling 28 mm (b) panjang kopling 34 mm Ujung-ujung pada fiber optik diratakan: Dengan cara membentuk angka 8 pada kertas gosok Dibersihkan menggunakan Alkohol 70% 8
PROSES KARAKTERISASI Menggunakan Web Camera Gambar 10 Set up alat pada proses karakterisasi menggunakan web camera (a) Pada single coupler (b) Pada double coupler
Gambar 11 Proses Karakterisasi menggunakan Web Camere
Menggunakan BF5R-D1-N Sensor ini merupakan sensor khusus untuk menganalisis daya keluaran yang diterima dari fiber optik. Tipe BF5R-D1-N Source Merah (660 nm) Power supply 12-24 Volt Arus maksimum 50 ma Waktu respon 500 μs Output P in (level light) 0-4000
Gambar 12 Set up alat pada proses karakterisasi menggunakan BF5R-D1-N (a) Pada single coupler (b) Pada double coupler
Gambar 13 Proses Karakterisasi menggunakan BF5R-D1-N
HASIL DAN PEMBAHASAN
WEB CAMERA DATA HASIL KARAKTERISASI BF5R-D1-N
WEB CAMERA Hasil image directional single coupler pada panjang kopling 28 mm dengan port A1 sebagai input dan A2-B2 sebagai ouput Plot grafik RGB directional single coupler pada panjang kopling 28 mm dengan port A1 sebagai input dan A2-B2 sebagai ouput
Tabel 2 Hasil Karakterisasi Directional Single Coupler dengan L c =28 mm Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins A1 8.821 0.383 8.635 0.495 0.094 3.059 A2 6.848 6.575 0.433 0.49 0.138 3.061 B1 0.427 10.44 10.61 0.496 0.087 3.063 D 16.67 8 15.04 8 17.01 5 B2 3.208 0.285 3.213 0.499 0.189 3.196 13.71 Tabel 3 Hasil Karakterisasi Directional Single Coupler dengan L c =34 mm Input A1 A2 6.752 B1 0.363 B2 7.7 Output (au) A1 A2 B1 B2 10.42 1 18.88 8 0.285 4 0.45 8 6.55 6 7.69 9.45 8 0.48 1 18.7 1 CR 0.476 0.493 0.502 0.500 3 Le 0.09 9 0.15 4 0.04 2 0.08 Lins 2.90 4 3.10 1 3.07 2 3.09 3 D 16.47 1 14.57 2 20.2 17.39 7 Tabel 4 Hasil Karakterisasi Directional Double Coupler dengan L c =28 mm Tabel 5 Hasil Karakterisasi Directional Double Coupler dengan L c =34 mm Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D A1 11.4 9 0.32 1 12.4 6 0.52 0.058 3.247 18.78 9 A1 13.1 8 0.41 9 12.8 0.493 0.06 9 3.017 17.99 8 A2 12.036 11.9 0.37 1 0.497 0.067 3.053 18.16 6 A2 18.3 6 18.1 3 0.28 3 0.497 0.03 4 3.017 21.13 2 B1 0.4146 8.22 3 8.38 7 0.495 0.107 3.075 16.13 5 B1 0.55 8 7.54 8 7.62 7 0.497 0.15 7 3.145 14.49 9 B2 16.735 0.29 8 18.0 8 0.481 0.037 2.882 20.71 4 B2 5.11 7 0.26 5.16 2 0.498 0.10 9 3.1 16.07 2
BF5R-D1-N Tabel 6 Hasil Karakterisasi Directional Single Coupler dengan L c =28 mm pada BF5R-D1-N (1) sebagai Input Tabel 7 Hasil Karakterisasi Directional Single Coupler dengan L c =28 mm pada BF5R-D1-N (2) sebagai Input Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D A1 464 23 432 0.482 0.11 2.968 16.016 A2 484 444 30 0.478 0.138 2.965 15.042 B1 28 415 479 0.464 0.134 2.844 15.176 B2 451 32 475 0.487 0.148 3.047 14.762 Tabel 8 Hasil Karakterisasi Directional Single Coupler dengan L c =34 mm pada BF5R-D1-N (1) sebagai Input A1 472 20 439 0.482 0.094 2.95 16.679 A2 485 426 23 0.468 0.108 2.846 16.086 B1 28 424 464 0.477 0.135 2.954 15.147 B2 426 20 470 0.475 0.096 2.898 16.609 Tabel 9 Hasil Karakterisasi Directional Single Coupler dengan L c =34 mm pada BF5R-D1-N (2) sebagai Input Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D A1 456 20 413 0.47 5 0.09 9 2.89 9 16.47 9 A1 444 27 425 0.489 0.133 3.049 15.209 A2 486 445 26 0.47 8 0.12 2.94 3 15.65 9 A2 458 400 20 0.466 0.1 2.826 16.425 B1 21 474 514 0.48 0.09 1 2.92 9 16.81 7 B1 29 411 452 0.476 0.144 2.952 14.88 B2 427 20 487 0.46 7 0.09 4 2.82 8 16.69 3 B2 424 22 439 0.491 0.109 3.045 16.045
Tabel 10 Hasil Karakterisasi Directional Double Coupler dengan L c =28 mm pada BF5R-D1-N (1) sebagai Input Tabel 11 Hasil Karakterisasi Directional Double Coupler dengan L c =28 mm pada BF5R-D1-N (2) sebagai Input Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D A1 476 30 424 0.471 0.142 2.909 14.914 A1 435 24 420 0.491 0.12 3.05 5 15.63 8 A2 452 435 25 0.49 0.121 3.049 15.621 A2 439 422 20 0.49 0.1 3.02 5 16.43 9 B1 30 454 526 0.463 0.131 2.833 15.272 B1 27 434 487 0.471 0.12 5 2.89 3 15.45 4 B2 453 35 483 0.484 0.159 3.033 14.432 B2 433 28 469 0.48 0.13 3 2.97 3 15.21 3 Tabel 12 Hasil Karakterisasi Directional Double Coupler dengan L c =34 mm pada BF5R-D1-N (1) sebagai Input Tabel 13 Hasil Karakterisasi Directional Double Coupler dengan L c =34 mm pada BF5R-D1-N (2) sebagai Input Input Output (au) CR Le A1 A2 B1 B2 Lins D Input Output (au) A1 A2 B1 B2 CR Le Lins D A1 447 28 430 0.49 0.136 3.063 15.095 A2 435 399 23 0.478 0.118 2.945 15.713 B1 28 425 440 0.491 0.138 3.074 15.037 B2 412 24 445 0.481 0.12 2.966 15.648 A1 397 30 358 0.474 0.169 2.961 14.177 A2 440 344 21 0.439 0.115 2.623 15.836 B1 22 411 462 0.471 0.108 2.872 16.094 B2 384 27 396 0.492 0.148 3.092 14.755
PEMBAHASAN Hasil karakterisasi masing-masing directional single dan double coupler memperlihatkan nilai CR (coupling ratio), Le (excess loss), Lins (insertion loss), dan D (direcitivity) yang tidak sama pada tiap port masukan. Nilai yang dihasilkan pada karakterisasi menggunakan BF5R-D1-N (1) sedikit berbeda dengan BF5R-D1-N (2). Ketidaksimetrisan sepanjang daerah kopling (Lc) dan daerah ujung pengupasan antara kedua serat optik pada saat proses penggandengan Spesifikasi alat tidak persis sama dan alat sangat sensitif dengan perubahan lingkungan.
Dapat disimpulkan bahwa semua variasi telah memenuhi standar parameter directional coupler hasil fabrikasi industri untuk serat optik Nilai CR yang didapatkan mendekati 0,5 yaitu berkisar antara 0,464-0,52 Dari hasil dapat disimpulkan bahwa directional single dan double coupler dengan panjang kopling 34 mm paling baik digunakan sebagai pemecah berkas maupun pembagi daya sehingga nantinya dapat digunakan sebagai divais dalam sensor.
KESIMPULAN
Fabrikasi directional single coupler dan double coupler dari serat optik mode jamak dengan pendekatan metode Fused Biconical Taperred (FBT) dengan panjang kopling 28 mm dan 34 mm menghasilkan directional single coupler dan double coupler dengan hasil karakterisasi yang berbeda serta memenuhi standar fabrikasi. Hasil karakterisasi directional single dan double coupler menggunakan web camera didapatkan Nilai CR yang mendekati 0,5 yaitu pada panjang kopling 34 mm dengan input B2, pada single coupler nilai CR=0,5003 ; Le=0,08 db ; Lins=3,093; dan D=17,397 db. Serta pada double coupler nilai CR=0,498 ; Le=0,109 db ; Lins=3,1; dan D=16,072 db. Hasil karakterisasi directional single dan double coupler menggunakan BF5R-D1-N didapatkan Nilai CR yang mendekati 0,5 yaitu pada panjang kopling 34 mm dengan input B2, pada single coupler nilai CR=0,491 ; Le=0,109 db ; Lins=3,045; dan D=16,045 db. Serta pada double coupler nilai CR=0,492 ; Le=0,148 db ; Lins=3,092; dan D=14,755 db.
TERIMA KASIH