KARAKTERISASI FIBER BRAGG GRATING (FBG) TIPE UNIFORM DENGAN MODULASI AKUSTIK MENGGUNAKAN METODE TRANSFER MATRIK
Pipit Sri Wahyuni1109201719
PembimbingProf. Dr. rer. nat. Agus Rubiyanto, M.Eng.Sc
ABSTRAK
Abstrak
Karakterisasi Fiber Bragg Grating (FBG) dianalisa menggunakankomputasi metode transfer matrik berdasarkan teori moda tergandeng(couple-mode) yang menggambarkan interaksi moda terpandu. Analisisdilakukan pada jenis FBG tipe uniform dari serat optik single modedengan menggunakan parameter panjang kisi 1-40mm, perubahanindeks bias 0.0001-0.0005 dan panjang gelombang inframerah 1300nm-1550nm. Hasilnya adalah puncak refleksi meningkat seiring denganbertambahnya panjang kisi dan perubahan indeks bias. Puncak refleksimaksimum mencapai 100% setelah panjang kisi mencapai 20mm.Lebar pita FWHM menurun dengan bertambahnya panjang kisi danberkurangnya nilai perubahan indeks bias FBG, mengalami pelebarandengan semakin besar panjang gelombang yang digunakan. Lebar pitayang sempit menunjukan kisi dapat digunakan sebagai filter panjanggelombang. Untuk modulasi akustik sebesar 2-5 MHz menunjukkanpenambahan panjang gelombang terefleksi pada kiri-kanan panjanggelombang utama dari refleksi dan transmisi
Kata kunci : FBG, transfer matrik, akustik, refleksi, lebar pita
PENDAHULUAN
Latar Belakang
FBG adalah jenis serat optik yang indeks bias intinya berubah secaraperiodik, yang menyebabkan FBG dapat berfungsi sebagai refleksidan transmisi
permanendengan efekphotosensitif
Kelebihan FBG adalah kemampuannyadalam memfilter panjang gelombangpada serat optik, dapat dilakukan dengancara memvariasikan beberapa parameter seperti perubahan indeks bias dalamfiber, panjang, dan periode kisi.
DikarakterisasiFBG
Rumusan Masalah
1• Mengkarakterisasi spektrum FBG dengan
metode transfer matrik
2• Mengkarakterisasi spektrum FBG dengan
modulasi akustik menggunakan metodetransfer matrik
1
• Bagaimana mengkarakterisasi spektrum FBG tipeuniform tanpa dan dengan modulasi akustikmenggunakan metode transfer matrik?
Tujuan
1• Mengetahui karakterisasi spektrum FBG dengan
menggunakan metode transfer matrik
2
•• Mendesain FBG dengan karakteristik spektrumyang telah didapatkan
Manfaat
Batasan Masalah
1
• FBG yang digunakan adalah tipe kisi uniformdari serat optik moda tunggal, step indeks
2
• Metode transfer matrik digunakan untukmenganalisis spektrum FBG
KAJIAN PUSTAKA
Serat optik yang memiliki variasi periodik indeksbias inti yang terdistribusi dalam bentuk kisi.
(Johannes, 2000).
Fiber Bragg Grating (FBG)…??
RefleksiTransmisi
FBG
Struktur FBG beserta spektrum transmisi dan refleksinya
Struktur FBG
Mengeluarkan acrylateCoating
Meng-expose fiber kecahaya UV
Preannel
Me-recoat fiber.
Langkah FabrikasiFBG
Fabrikasi FBG
Pembuatan Kisi
Fase Mask
Kisi
Orde Difraksi 1Orde Difraksi -1
Interferensi
UV
Pembuatan Kisi
Fabrifikasi FBG dengan menggunakan teknik phase mask
Laser
Beam Splitter
Cermin 1 Cermin 2
Fiber
Interference Pattern (Pola interferensi)
Writing FBG ke inti serat dengan tehnik interference pattern
Skema prinsip kerja sebuah FBG
Prinsip Kerja FBG
Cladding
Reflektivity>99%bandwidth~0.2nm
Bragg Grating
Inputsignal
Back reflected signal
λBragg=2nefΛ
Core
Output signal
Λ
λλ
λ
Keuntungan&Kekurangan
Keuntungan
• Ukuran kecil, sederhana.• Imunitas trhdp interferensi
em, matrial dielektrik dankemungkinan sensing yangterdistribusi
• FBG dapat berfungsi sbgrefleksi, filter dan insertionloss<<.
• Respon spektrum FBGbergantung pada perubahanlingkungan (suhu dantekanan)
• FBG memiliki refleksi tinggidan bandwith yang sempitpada panjang gelombangbraggnya
Kekurangan
• Dibutuhkan recover sinyalrefleksi yaitu optikalsirkulator agar tidakmenimbulkan noise.
• Pada panjang gelombangλBragg, FBG mengalami losstransmisi disebabkan olehcahaya yang direfleksikan kedalam mode cladding padafiber.
Aplikasi
Sistem komunikasi serat optik. Penyetabil panjang gelombang untuk laser Narrow band WDM add/drop filter.Dispersion Compensation. Gain-Fl attening filter. Kisi untuk filter laser. Fiber Grating Sensor.Sebagai sensor pengukuran dengan caramengukur temperatur dan strain.FBG sensor untuk tekanan dan medanmagnet dinamik.
Jenis –jenis FBG
Jenis-jenis FBG
Moda tergandeng pada refleksi dan transmisi
Teori Couple-Mode
Bragg Grating
Bragg Grating dg periode konstan
Gelombang Akustik
PZT
Silica horn
Taper Taper
FBG Holder
Modulasi akustik diaplikasikan padasalah satu sisi dg frekuensi 2-5MHzdengan mengasumsikan daya akustikawal sama dengan nol.
Aplikasi modulasi akustik padasalah satu sisi
FWHM
METODE PENELITIAN
Memilih struktur tipe FBG yaituuniform
Mencari parameter dalam FBG dengan teori couple mode
Menerapkan dengan metode transfer matrik
Menerapkan ke dalam komputasi
Plot karakteristik spektrum
Melakukan untuk kondisi tanpa dandengan modulasi akustik
Skema langkah penelitian
Langkah Pendekatan dalam komputasi
Menentukan Matrik Transfer
Mengaplikasikan dalam FBG
Karakterisasi FBG tanpa modulasi akustik
Karakterisasi FBG dengan modulasi akustik
Metode Transfer Matrik
Dengan
Detuning
Koef kopling ac
Gamma
Koef kopling dc
Pada FBG, diberikanTransfer matrik sebagai berikut
Menentukan Refleksi dan Transmisi
Output
Input
RefleksiInput R(-L/2)=1Output S(L/2)=0
Koefisien Refleksi dan Transmisi
Refleksi
Transmisi
HASIL dan PEMBAHASAN
Parameter yang digunakan
Parameter konstan
indeks bias efektif
jumlah kisi (M)
panjang gelombang
desain panjang
gelombang awal dan akhir
Parameter yang diubah
Panjang Kisi
Indeks modulasi
PanjangGelombang
Parameter yang digunakan
Karakterisasi FBG tanpa Modulasi akustik
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.2
0.4
0.6
0.8
1
panjang gelombang(nm)
refleksi (a
.u)
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.2
0.4
0.6
0.8
1
panjang gelombang(nm)
transm
isi (a
.u)
Panjang Kisi
Pola Refleksi dan Transmisi dg panjang kisi 1 mm
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.2
0.4
0.6
0.8
1
panjang gelombang(nm)
refle
ksi (
a.u)
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.2
0.4
0.6
0.8
1
panjang gelombang(nm)
trans
mis
i (a.
u)
Pola Refleksi dan Transmisi dg panjang kisi 40 mm
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Panjang gelombang (nm)
refleksi
L=1e-3
L=5e-3L=10e-3
L=15e-3
Pola Refleksi dan transmisi dg panjang kisi 1-15 mm
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
panjang gelombang (nm)
transm
isi
L=1e-3
L=5e-3L=10e-3
L=15e-3
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Panjang gelombang (nm)
refleksi
L=20e-3
L=25e-3
L=30e-3L=35e-3
L=40e-3
Pola Refleksi dan Transmisi dg panjang kisi 20-40 mm
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
panjang gelombang (nm)
transm
isi
L=20e-3
L=25e-3
L=30e-3L=35e-3
L=40e-3
Refleksi pada Bragg grating /periode kisi pendek kopling antara perambatan moda dalam arah yang berlawanan.
R=|ρ|2
Transmisi/periode kisi panjangkopling perambatan moda gelombang dalam arah yang searah
T=|τ|2
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
0 10 20 30 40 50
Ref
leks
i (a.
u)
panjang kisi (mm)
0.0000
0.0500
0.1000
0.1500
0.2000
0.2500
0.3000
0.3500
0 10 20 30 40 50
FWH
M (n
m)
panjang kisi (mm)
Hubungan antara panjang kisidan refleksi
Hubungan antara panjang kisidan FWHM
Perubahan Indeks Modulasi
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Panjang gelombang (nm)
refleksi
dn=1e-4
dn=2e-4dn=3e-4
dn=4e-4
dn=5e-4
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
panjang gelombang (nm)
transm
isi
dn=1e-4
dn=2e-4dn=3e-4
dn=4e-4
dn=5e-4
Pola Refleksi&transmisi dg perubahn n 1.10-4-5.10-4 dg l=1 mm
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Panjang gelombang (nm)
refle
ksi
dn=1e-4
dn=2e-4
dn=3e-4dn=4e-4
dn=5e-4
1499 1499.2 1499.4 1499.6 1499.8 1500 1500.2 1500.4 1500.6 1500.8 15010
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
panjang gelombang (nm)tr
ansm
isi
dn=1e-4
dn=2e-4
dn=3e-4dn=4e-4
dn=5e-4
Pola Refleksi&transmisi dg perubahn n 1.10-4-5.10-4 dg l=40mm
Pada pola refleksi dan transmisi, tampak panjang gel max yang bernilai
0
20
40
60
80
100
120
1 2.5 5 10 15 20 25 30 35 40
Ref
leks
i (%
)
Panjang kisi (mm)
delta n=0.0001
delta n=0.0002
delta n=0.0003
delta n=0.0004
delta n=0.0005
Hubungan antara panjang kisi dengan koefisien refleksi
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 5 10 15 20 25 30 35
FWH
M (n
m)
Panjang kisi (mm)
delta n=0.0001
delta n=0.0002
delta n=0.0003
delta n=0.0004
delta n=0.0005
Hubungan antara panjang kisi dengan FWHM
1299 1299.2 1299.4 1299.6 1299.8 1300 1300.2 1300.4 1300.6 1300.8 13010
0.5
1
panjang gelombang(nm)
refleksi (a
.u)
1299 1299.2 1299.4 1299.6 1299.8 1300 1300.2 1300.4 1300.6 1300.8 13010
0.5
1
panjang gelombang(nm)
transm
isi (a
.u)
1549 1549.2 1549.4 1549.6 1549.8 1550 1550.2 1550.4 1550.6 1550.8 15510
0.5
1
panjang gelombang(nm)
refleksi (a
.u)
1549 1549.2 1549.4 1549.6 1549.8 1550 1550.2 1550.4 1550.6 1550.8 15510
0.5
1
panjang gelombang(nm)
transm
isi (a
.u)
Pola refleksi dan transmisi dengan panjanggelombang 1300nm d 1550nm
Pembahasan
Ketika cahaya dilewatkan ke FBG tipe uniform, periodekonstan maka sebagian panjang gelombang (2(neff)/Λ) akandirefleksikan dan yang lain ditransmisikan. Untuk kisiuniform, koefisien self kopling dc (𝜎) dan koefisien selfkopling ac (K) adalah konstan. Komputasi dilakukan panjangkisi 1mm-40mm. Puncak refleksi bernilai 100% ketika panjangkisi 20mm, artinya setelah 20 mm tidak ada panjanggelombang yang ditransmisikan atau detuning sama dengannol atau cahaya yang direfleksikan ke dalam mode claddingpada fiber. Penambahan panjang kisi seiring denganpenambahan puncak refleksi. R(L,λ)=tanh2 (KL) . Nilai (KL)digunakan untuk mengukur adanya kekuatan kisi yangmengindikasikan puncak refleksi maksimum
Pada dasarnya untuk membentuk FBG digunakan exposuresinar UV yang mengubah indeks bias secara permanen.Sunita P. Ugale (2011) dalam penelitiannya tentangkarakterisasi FBG pada refleksi maksimum menggunakanperubahan indeks bias 0,003; 0.005; 0.008 dan 0.010; refleksimaksimum yang terjadi seiring dengan kenaikan perubahanindeks bias dan panjang kisi. Panjang gelombang maksimalmengalami pergeseran ke kanan ketika terjadi penambahanperubahan indeks bias, yang sebanding dengan panjanggelombang desain
Dengan Modulasi Akustik
Parameter yang digunakan Indeks bias effektif Periode Panjang gelombang desain 1550nm Panjang gelombang awal dan akhir 1499nm dan 1551nm jumlah kisi (M)=100, visibilitas(v) =1 perubahan indeks bias 1.10-4
panjang kisi 10mmperiode konstan sebesar 515.0718097.10-9m. Modulasi akustik dengan mengasumsikan frekuensi 2-5MHz.
1549 1549.2 1549.4 1549.6 1549.8 1550 1550.2 1550.4 1550.6 1550.8 15510
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Panjang gelombang (nm)
Refleksi(a.u
)
1549 1549.2 1549.4 1549.6 1549.8 1550 1550.2 1550.4 1550.6 1550.8 15510
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Panjang gelombang (nm)
Tra
nsm
isi(a.u
)
Pola refleksi dan transmisidengan modulasi akustik 5.106 Hz
Ketika gelombang akustik dengan frekuensi tinggidilewatkan pada FBG, maka bidang kisi akan tertekandan terekspansi. Hasil modulasi regangan secaraperiodik mengakibatkan penambahan pita frekuensihingga nampak pada kedua sisi spektrum refleksi kisi.Fenomena ini dikenal sebagai modulasi kisi, dimanakisi periodik dimodulasikan oleh gelombangakustik, pengaplikasiannya dapat ditemukan padatunable reflector dan Q-Switch DFB
Hasil eksperimenoleh M.Delgadro.Pinar, 2006
KESIMPULAN
Dari hasil analisis serta kajian pustaka terhadap karakterisasiFBG refleksi dan transmisi dengan menggunakan metodetransfer matrik, pada panjang gelombang inframerah 1300-1550nm, panjang kisi 1-40mm, perubahan indeks bias 1.10-4-5.10-
4 maka dapat disimpulkan beberapa hal yaitu puncak refleksimeningkat seiring dengan bertambahnya panjang kisi danperubahan indeks bias. Puncak refleksi maksimum mencapai100% setelah panjang kisi mencapai 20mm. Lebar pita FWHMmenurun dengan bertambahnya panjang kisi dan berkurangnyanilai perubahan indeks bias FBG, mengalami pelebaran dengansemakin besar panjang gelombang yang digunakan. Lebar pitayang sempit menunjukan kisi dapat digunakan sebagai filterpanjang gelombang. Sedangkan untuk modulasi akustik sebesar2MHz, 3MHz, 4MHz dan 5MHz menunjukkan penambahanpanjang gelombang terefleksi pada sisi kiri-kanan panjanggelombang
TERIMA KASIH