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