Aplikasi Teknologi Optik Nonlinier (ONL)

Aplikasi Teknologi Optik Nonlinier (ONL)Pendahuluan

Pengolahan data dengan kecepatan tinggi merupakan esensi dari teknologi komputer dan telekomunikasi. Diperkirakan bahwa sepuluh tahun yang akan datang, kantor-kantor Telkom bagian switching akan mengoperasikan 104 channel yang menghasilkan laju bit 1012 bit/second. Saat ini, dengan elektronik switching dapat ditangani 1010 bit/s. Artinya, diperlukan switching yang berkecepatan ratusan kali lebih besar daripada elektronik switching.

Untuk itu, alternatif satu-satunya yang saat ini memberi harapan adalah teknologi fotonik. Teknologi ini mengandalkan material yang memiliki sifat optik nonlinier, yakni kebergantungan indeks bias material terhadap intensitas cahaya. Sifat ini merupakan dasar bagi all-optical switching ataupun computing. Implementasi pengolahan sinyal dengan all-optical device hingga saat ini berlangsung agak lambat karena belum ditemukannya material-material yang diperlukan bagi devais tersebut.

Konsep Devais

Optik Nonlinier adalah ilmu pengetahuan modern terbaru yang berhubungan dengan fenomena fisika yang terjadi akibat medan yang ditimbulkan oleh laser. Teknologi ini dinamakan teknologi fotonik sebagai pengganti teknologi elektronik untuk memperoleh, menyimpan, menyiapkan, mengirim dan memproses informasi. Konsep komputer optik, proses sinyal optik dan image analisis sedang dikembangkan dengan menggunakan proses optik nonlinier sebagai konversi frekuensi, modulasi cahaya, optical switching, optical logic, penyimpan memori optik, dan optical limiter function.

Untuk beberapa aplikasi second harmonic generation(SHG), image analisis, high density data storage, elektrooptik spatial light modulation dapat direalisasikan dalam waktu dekat. Sedangkan untuk third harmonic generation(THG), all-optical switching, sangat berguna bagi optical informasi prosessing dan aplikasi dalam telekomunikasi di masa depan. Keuntungan terbesar dalam menggunakan all-optical proses adalah penguatan kecepatan yang mencapai subpicosecond. Secara garis besar device optik non linier dapat dilihat dalam tabel di atas.

Beberapa Aplikasi Optik Nonlinier

Nonlinier order-2Material yang hanya memiliki sifat optik nonlinier order-2, bila material tersebut disinari dengan cahaya dengan medan listrik E = E cos t. maka polarisasi yang terjadi pada material :

P = (1) E cos t + (2) E 2 [cos 2 t + 1] (1)

Terlihat bahwa sebagai efek dari suseptibilitas order-2, polarisasi mengandung bagian dc dan bagian berosilasi dengan frekuensi 2 di samping bagian yang berfrekuensi . Bagian yang berosilasi dengan frekuensi 2 akan menginduksikan cahaya berfrekuensi sama. Ini yang disebut second harmonic generatin (SHG).

Jika material dikenai sekaligus oleh medan listrik dc dan berosilasi dengan :

E = Edc + E cos t (2)

Maka suseptibilitas order-2 memberikan sumbangan terhadap suseptibilitas linier yakni :

(1) + (2) Edc (3)

sehingga indek biasnya bergantung pada medan Edc . Hal ini yang disebut dengan efek elektrooptik atau Pockel yang memberi peluang terhadap proses modulasi cahaya. Prinsip modulasi dilukiskan dalam gambar 2 di bawah ini :

Selanjutnya andaikan dua berkas cahaya masing-masing Es cos st dan Ep cos pt dengan p > s , menyinari material. Secara serentak, kedua medan itu akan

menimbulkan polarisasi yang berkaitan dengan order-2 yakni :

(2) Ep Es cos ( p - s) t (4)

maka yang selanjutnya menginduksikan medan listrik di dalam material :

EI (2) Ep Es cos I t (5)

Dimana I = p - s

Sehingga mengakibatkan medan ini bersama medan Ep cos p t akan menginduksikan polarisasi (2) Ip Es cos st dengan Ip adalah intensitas cahaya Ep. Polarisasi ini selanjutnya menginduksikan medan :

Eo (2) Ip Es cos st (6)

Jadi, cahaya Es cos st akan dilewatkan melalui material dengan suatu faktor penguatan yang bergantung pada suseptibilitas order-2 material dan intensitas Ip dari medan Ep cos pt. Hal ini dapat diperlihatkan dalam gambar 3

Nonlinier order-3Material yang memiliki suseptibilitas order-3 bila disinari cahaya dengan medan E cos t, maka polarisasi sehubungan dengan suseptibilitas order-3 adalah :

1/6 (3) E 3 [3/4 cos t + cos 3 t] (7)

Maka suku kedua dari polarisasi itu akan menginduksikan medan berfrekuensi 3 kali. Peristiwa ini disebut third harmonic generatin(THG). Suku pertama bersifat linier, dan itu memberi sumbangan terhadap suseptibilitas linier :

(1) + 1/8 (3) E 2 (8)

Jika no adalah indeks bias sebelumnya, maka dalam keadaan dilalui cahaya berintensitas I ( E 2) indeks itu bergeser menjadi :

n = no + n2I (9)

dengan n2 merupakan parameter yang bergantung pada (3) dari material. Indeks bias yang bergantung intensitas cahaya tersebut merupakan dasar bagi rekayasa devais untuk switching. Dalam gambar di bawah ini diperlihatkan skema devaisnya.

Sedangkan gambar 4b. memperlihatkan hubungan antara intensitas transmisi dan intensitas masukan. Selanjutnya dengan menggunakn gabungan medan dc Edc dan medan E cos t, polarisasi yang berkaitan dengan nonlinier order-3 mengandung

(3) E Edc2 cos t (10)

Dengan demikian, suseptibilitas linier berubah menjadi :

(1) + (3) E 2 (11)

sehingga indeks bias bergantung pada Edc2. Peristiwa ini dikenal sebagai efek elektrooptik kuadratik atau efek Kerr. Disamping sebagai modulator, efek ini merupakan dasar bagi optical shutter atau switching dan directional coupler. Seperti diperlihatkan dalam gambar 5 dibawah ini :

Material Optik Nonlinier

Material-material optik nonlinier yang dipakai saat ini dalam fabrikasi devais-devais fotonik pasif dan aktif adalah kristal-kristal anorganik yang bersifat feroelektrik misalnya kristal Kalium Dideterium Pospat(KDP) untuk pengganda frekuensi laser, kristal Lithium Niobat(LiNbO3) untuk modulator elektrooptik dan kristal Barium Titanat(BaTiO3) untuk aplikasi konjugasi fasa. Meskipun teknologi penumbuhan kristal untuk material-material ini berkembang jauh dan optik nonlinieritasnya cukup untuk kebanyakan aplikasi fotonik, namun material-material ini mempunyai kelakuan yang tak menguntungkan; misalnya harus dalam bentuk kristal tunggal.

Hal lain yang lebih sulit diatasi adalah bahwa kristal-kristal itu dalam optical switching masih terlalu lambat. Keterbatasan-keterbatasan ini memaksa orang untuk mencari material baru yang tepat dalam aplikasinya. Material-material organik merupakan kandidat bagi optik nonlinier karena beberapa alasan :

1. Waktu respon sangat cepat.

2. Suseptibilitas off-resonance sama atau lebih besar dari pada kristal organik.

3. Mudah difabrikasi.

4. Mudah diintegrasikan di dalam devais.

5. Ambang kerusakannya terhadap laser cukup tinggi

6. Harganya relatif lebih murah.

Namun demikian, hingga saat ini masih harus dilakukan riset untuk pengembangannya. Beberapa aspek yang menjadi obyek riset dalam optik nonlinier antara lain adalah :

1. Pemahaman tentang proses optik nonlinier.

2. Kaitan antara proses optik nonlinier dan struktur material.

3. Rekayasa dan sintesis material untuk memperoleh sifat-sifat termal dan mekanik serta stabilitas terhadap cahaya yang baik.