PENGEMBANGAN KOMPONEN OPTOELEIfiRONIKA

PENGEMBANGAN KOMPONEN OPTOELEIfiRONIKA
]ohn
E. Batubara
Abstract
The development of various communication and computer networks is
mainly supported by the advantages of optoelectronics engineering. The
recent technology of integrating electronic and optical functions into one
circuit has made it possible to fabricate optoelectronic chips with low
loss, compact shape, high realibility, small size and low price' In Indonesia, optoelectronics engineering was established since in1977 , and study
on the fabrication of optoelectronic components is being developed'
Optical components with very small size, the so-called microoptics is
todays important research subjects. Some aspects of microoptics study
and development are reported in this paper'
Intisari
Perkembangan berbagai jaringan komunikasi dan komputer terutama
didukung olehkeunggulanteknik optoelektronika. Dewasaini, kemajuanteknologi
memungkinkan fabrikasi chip optoelektronik dengan rugidaya yang rendah, bentuk
yang kompak, keandalan yang tinggr, ukuran yang kecil dan biaya yang rendah
bagi keperluan memadukan fungsi-fungsi elektronik dan optik dalam sebuah
rangkaian. Di Indonesia, rekayasa optoelektronika dimulai dalam sejaktafunLg77
dan telaah mengenai fabrikasi komponen-komponen optoelektronik sedang
dikembangkan. Komponen-komponen oPtik dengan ukuran sangat kecil yang
disebut mikrooptika merupakan salah satu bidang penelitian. Beberapa topik telaah
mikrooptika and perkembangannya disajikan dalam makalah ini.
1.
PENDAHULUAN
Sistem komunikasi dan jaringan komPuter sedang mengalami kemajuan yang
sangat pesat unfuk menyalurkan, mengendalikan, dan mendistribusikan informasi
dalam jaringan yang sangat luas. Teknologi komunikasi menggunakan berbagai
rnedia untuk mentransmisikan informasi dari satu tempat ke tempat lain, yaitll
melalui udara, kabel tembaga, dan serat optik. Untuk menamPung informasi yang
dikomunikasikan teknologi komunikasi harus menjadi tulang punggung dari suatu
"informationhighway" dan serat optik sebagai media transmisi adalah pilihan yang
menjanjikan (Batubara, 1996). Dengan sistem komunikasi serat oPtik sejumlah
JURNAL lLlvilAH UPH
49
informasi berupa gambar video, percakapan telepon, dan banyak data lainya dapat
disalurkan, untuk berbagai keperluan, misalnya pengendalian jaringan kereta api,
pengendalian lalulintas jalan ruya,pelayanan jaringan telepon, dan siaran televisi.
Sistem komunikasi optik dapat diwujudkan melalui pengembangan komponen-
komponen optik, yang melengkapi komponen-komponen dan piranti-piranti
elektronik yang sudah lebih dahulu berkembang dan telah digunakan secara luas
dalam sistem komunikasi konvensional. Komponen-komponen pasif mempunyai
bermacam fungsi dalam sistem komunikasi optik, seperti splitting, coupling, filtering, polarizing/ depolarizing, waaelength diaision multiplexing/demultiplexing, dan dispersion compensation. Seperti halnya komponen-komponen aktif, sepertr laser diode,
optical amplifier, optical modulator, demudulator, optical detector dan optical xoitching,
komponen-komponen pasif juga berkembang cepat dalam memenuhi kebutuhan
teknologi komunikasi.
Pengernbangan komponen-komponen optik mencakup fabrikasi, aplikasi dan
karakterisasi komponen-komponen mikrooptik. Ada berbagai bentuk komponen
mikrooptik, antara lain lensa mikro planar (Oikawa, L982) danpandu gelombang
planar. Aplikasi lensa mikro planar sebagai elemen pemfokus dalam piranti
switching optik, dan fabrikasi pandu gelombang planar untuk komponen
switching pasif dan aktif merupakan contoh-contoh pengembangan mikrooptik.
2,
PIRANTI TERINTEGRASI OPTIK DAN ETEKTRONIK
Sasaran pengembangan teknologi komponen adalah mengintegrasikan berbagai
fungsi pada sebuahchip tunggal yaitu mengintegrasikan piranti-piranti optik dan
rangkaian listrik secara monolitik. Teknologi ini menghasilkan transmitter optik,
penerima dan switch yang kompak dan berharga murah. Rangkaian-rangkaian
terpadu opto-elektronik ini akan berguna untuk subsuiber loop,local area network,
dan interkoneksi peralatan yang memerlukan sejumlah besar optical links dan sutitching subsystems,
piranti optoelektronik yang dapat digunakan dalam
komunikasi
diperlihatkan
pada Gambar L. Sinyal yang dimodulasi
sistem
optik
(dari dua saluranl l,, dan I, ) diterima olehmonitoryang oleh sumber laser diteruskan
ke laser amplifier'(l dan 2). Selanjutnya sinyal-sinyal tersebut disalurkan ke optical
coupler.Melalui monitorberikutnya sinyal'sinyal yang dibawa oleh 1,, dan \ tersebut
diteruskan ke single mode fiber untuk disalurkan ke alamat penerima tertentu.
Sebaliknya, sinyal-sinyal dari pemancar lain yang dibawa oleh \ dan \ diterima
Sebagai contoh, sebuah
50
JURNAL ILMIAH UPH
dimonitor untuk diteruskan masing-masing ke detector 1 dan detector 2. Sinyal
tersebut (signal l dan signal2) kemudian diterjemahkan dan diproses lebih lanjut,
Dalam chip ini terpadu komponen-komponen aktif berup alaser,laser arnplifur, monitor, detector danmode matching, serta komponen-komponen pasif berupasinglemode
fiber, optical coupler dan optical isolator.
Modulared
signal I
Modulated
rignrl 2
)rz-z1-l-1
. t
oPticot couPlor
,;.?J
;, dlt
Mode
mrtching ,
--'>
11, 12
(lnp wrforl
Gambar 1. Integrasi beberapa fungsi dalam rangkaian optoelektronik
Dengan dukungan elemen-elemen pasif seperti pemandu-gelombang yang
diuraikan di atas, berbagai fungsi sistem dapat diintegrasikan ke dalam satu chip
yang menjadi populer dengan sebutan "optoelectronic integrated circuit" atau OEIC.
Serupa dengan sejarah perkembangan rangkaian liskik, yang dimulai dari transistor diskrit ke rangkaian terpadu (integrated circuit - IC) berskala besar, rangkaian:
rangkaian optoelektronikberkembang dari laseq, detektor,lensa serta cermin diskrit
melalui rangkaian terpadu skala kecil menuju OEIC berskala besar di kemudian
hari.
3.
KOMPONEN-KOMPONEN OPTIK
Komponen-komponen optik seperti penapis optik, diaider, isolator, connector,
dan switch memerankan fungsi penting dalam sistem komunikasi optik, dalam ha1
menangani transmisi dan penerimaan cahaya.
Dalam kecepatan transmisi yang tinggi, sekitar 10 Gbits/s atau lebih,
waaelength diaision-multiplexing (WDM) merupakan alternatif yang utama untuk
modulasi langsung dari dioda laser (laser diode - LD). Teknik WDM dimanfaatkan
lebih efektif untuk sistem gelombang cahaya koheren karena gelombang cahaya
JURNAL ILMIAH UPH
51
mudah dialokasikan dalam separasi saluran yang besarnya dalam orde angstrom.
Untuk itu, diperlukan piranti WDM dengan rugi daya rendah, yang dapat
mengkombinasikan dan memecah sinyal sampai beberapa puluh atau ratusan kali
panjang gelombang. Karena beberapa kesulitan dalam memperoleh lebar-pita yang
sempit dan karakteristik cut-offyangtajam dengan penapis optik konvensional yang
menggunakan lapisan dielektrikberlapis banyak, metode penapis kisi optik secara
intensif telah dikernbangkan. Dengan metode ini, suatu piranti untuk transmisi
WDM dengan L0 macam panjang gelombang dan keluaran total lebih dari 1,
Tbits.km/s yang menggunakan kisi optik telahberhasil diwujudkan.
Komponen-komponen lain yang semakin penting untuk sistem komunikasi
optik adalah isolator optik , karena sumber-sumber cahaya seperti laser d'ioda jenis
DFB harus dilindungi dari cahaya umpan-balik untuk memperoleh lebar-pita yang
sempit dan cahaya keluaran yang stabil. Berbagai usaha pengembangan telah
berhasil mewujudkan isolator yang kompak dengan rugi-daya yang rendah dan
yang dapat diintegrasikan dalam paket LD.
Untuk sistem langganan telepon, syarat yang penting untuk komponen adalah
biaya, ukuran yang kompak dan struktur yang sesuai untuk produksi massal.
Berbeda dengan struktur yang konvensional dengan lensa, cermin dan prisma
terletak pada posisi terpisah, sasaran pengembangan komponen optik adalah
struktur yang memadukan berbagai fungsi komponen dalam satu substrat.
Beberapa contoh dari struktur terpadu optik yang digunakan pada komponen-
komponen optik, seperti piranti WDM; optical deaiders, dan kopler diperlihatkan
dalam Gambar 2. Gambar 2a menunjukkan sebuah piranti WDM dengan suatu
kisi optik. Dalam struktur ini komponen-komponen utama dilekatkan dengan
menggunakan bahan perekat. Gambar 2b adalah suatu struktur terintegrasi yang
lain, terdiri dari sebuah half-mirror atau sebuah penapis optik yang di-sandwich
dengan lensa batang yang berfungsi sama. Gambar 2c adalah sebuah kopler optik
dan sebuah deaider yang difabrikasi langsung dengan mesin serat optik.
52
JURNAL ILMIAH UPH
Gambar 2. Shuktur terpadu dari komponen-komponen optik
Rod lanr
Flbcr
(n
Frlsm
)
\
Blftroollon
{rs?$ru$
rn{nor
or upllcol Sllitsf
(h)
ftod
{c
lcna
)
EI*trod,s
{d}
l#wegdde
t-iilb0r
firbstrot0
Couplinq ragion
Mirror
Wovegrdse
{e}
S?n*sofiductor
subalrola
Keandalan yang tinggi dan bentuk yang kompak telah dicapai dengan struktur
ini, karena serta optik diikat dengan adhesif atau dilas dengan plastik. Gambar 2d
dan 2e adalah korr,rponen dengan tipe pemandu gelombang terpadu yang dewasa
ini menjadi perhatian para ilmuwan. Gambar 2d memperlihatkan,sebuah koplet
optik yang difabrikasi dengan bahan semikonduktor. Dalam komponen pandugelombang semikonduktor seperti itu, fungsi piranti dengan mudah dapat
dikendalikan oleh rangkaian listrik luar, dan substrat semikonduktor yang sama
JURNAL lLlvthH UPH
53
dapat digunakan untuk sumber-sumber cahaya dan detektor.
Dengan demikian, metode semikonduktor dapat dimanfaatkan untuk fabrikasi
berbagai piranti optik dengan fungsi-fungsi yang rumit yang diimplementasikan
oleh elemen-elemen aktif dan pasif. Dengan mengintegrasikan piranti dan elemen
pada substrat dari bahan semikonduktor yang sama, proses monolitik dari
rangkaian-rangkaianyang dirancang akanlebihdimungkinkan, denganbahan dan
biaya fabrikasi yang lebih hemat, serta ukuran fisik yang lebih kecil.
OPTIKA PLANAR SEBAGAI PIRANTI SI4/ITCHING
Salah satu penerapan komponen mikrooptika dalam sistem optoelektronika
didasarkan pada keuntungan pola indeksbias di dalam komponen mikr<ioptikber
bentuk pipih. Komponen tersebut adalah lensa dengan bentuk pipih dan indeks
bias dalam lensa ini terdistribusi menurut arah tebal dan arah radial dari lensa.
Komponen optik dengan pola index bias demikian, yang dikenal sebagai lensa mikro
planaq, dapat memfokuskan dan mengkolimasikan berkas cahaya sebagaimana
dikenal pada lensa konvensional. Lensa mikro planar dibtrat dalam susunan
2-dimensi sehingga lensa mikro ini dapat digunakan dalam piranti-piranti
2-dimensi untuk transmisi secara paralel. Sifat pemfokusan dan pengkolimasian
lensa mikro planar membangkitkan gagasan untuk menggunakan lensa mikro ini
dalam piranti optical switching. Metode switching sinyal optik adalah dengan
membelokkan perambatan sinyal cahaya dengan bantuan sebuah cermin. Berkas
cahaya sejajar yang jatuh ke cermin dipantulkan pada arah tegak lurus terhadap
arah semula dan tetap dalam berkas yang sejajar. Berkas pantulan ini diarahkan
pada sebuah lensa mikro yang akan memfokuskan berkas tadi ke sebuah titik pada
piranti penerima. Dengan menggeser lensa mikro dan cermin pemantul, berkas
cahaya yang membawa sinyal dapat di-switch ke posisi yang dikehendaki.
Penggeseran cermin pemantul dan lensa mikro menggunakan motor
elektromagnetik.
Elemen-elemen dari optical switching terdiri dari dua pasang cermin yang dapat
bergeser dengan sumbu masing-masing saling tegaklurus, dan setiap pasang dapat
digunakan untuk empat posisi saluran sinyal. Perambatan berkas cahaya dari satu
posisi dibelokkanoleh cerminpemantulkeposisi yangdikehendaki. Setiap saluran
dari piranti switching memerlukan elemen-elemen pemantul, pembelok dan
pemfokus. Dengan menggunakan susunan lensa mikro 2x2, pirantt switching ini
dapat dikembangkan untuk srpitching2-dirnensi, tanpa harus menambahkan elemen
pemantul dan elemen pembelok cahaya. Selanjutnya, beberapa cermin pemantul
54
JURNAL ILMIAH UPH
dapat ditempatkan sepanjang sumbu optik dari elemen masukan untuk
memperbesar posisi keluaran dari sinyal yang sudah digeserkan (switched signals).
Dalam hal ini, jumlah posisi keluaran dibatasi oleh atenuasi daya cahaya sepanjang
sumbu transmisi dari elemen masukan.
Dalam studi yang dikerjakan ini telah berhasil dibuat piranti switching dengan
2x6 salurary yaitu dua saluran masukan dan 5 saluran keluaran. Piranti tersebut
dapat diperluas menjadi 4x12 saluran tanpa menambahkan elemen optik lain. Untuk
satu saluran, digunakandua cerminpemantul dan setiap cermindikendalikan oleh
mikrokomputer melalui sebuah solenoide. Mikrokomputer mengendalikan arus
yang menginduksikan gaya gerak listrik sebagai pengendali mekanisme switching.
DIRECTIONAL COUPLER
Optical directional coupler ataupenggandengberarah optiktelah semakinbanyak
digunakan dalam rangkaian terpadu optoelektronika (OEIC). Fungsinya dapat
bermacam-macam, dan salah satu fungsi yang sedang dikembangkan adalah sebagai
optical switching. Dalam studi yang dikerjakan, dikaji dua macam directional coupler,
yakni yang pasif tanpa kendali secara elektronik, dan yang aktif, yaitu dengan
memadukan elemen elektronik. Pada Gambar 3 diperlihatkan skema dari directional coupler pasit, (a) untuk saitching satu panjang gelombanB, dan (b) untuk m ultiplexing atau switchlng untuk dua panjang gelombang. Kedua piranti ini dibuat
dari pandu gelombang planar dengan bahan LiNbO3. Teknik fabrikasi yang
digunakan adalah dengan metode sputteing.Komponen switchingpasif diharapkan
mempunyai isolasi yang tinggi (<-20 dB) baik sebagai komponenswitching optik
satu panjang gelombang, maupun sebagai multiplexing/demultiplexing (switching
untuk dua panjang geloffi*g). Dengan arsitektur optik, directional coupler inidapat
dikembangkan sebagai switching optik untuk empat panjang gelombang atau lebih.
A
riIA
Erpu(
PC
I
B
.I't.r
r-
L_r
F-
l,---{
Gambar 3 Directional coupler pasif
JURNAL ILMIAH UPH
55
Gambar 4Directional coupler akttl
Komponen switching optik aktif diperlihatkan pada Gambar 4. Potensial V
melalui elektroda yang dipasang pada daerah penggandengan saluran pemanduan
gelombang berfungsi untuk memindahkan perambatan gelombang dari saiu saluran
ke saluranyanglain. Kendali elektronikuntuk fungsiini diharapkancukup dengan
potensial rendah (<10 volt) dan mempunyai pita yang lebar.
KESIMPUTAN
Telah diuraikan aspek-aspek fisis dan teknologi dari pengembangan komponen
untuk sistem komunikasi optik. Secara khusus dikemukakan pengembangan
komponen pasif dalam memenuhi persyaratan sistem yang andal, antara lain bentuk
yang kompak, reliabilitas yang tinggi, ukuran yang kecil dan harga yang murah.
Pengembangan komponen optik merupakan bagian dari peruvuiudan rangkaian
terpadu optoelektronik untuk aplikasi dalam sistem komunikasi dan komputer.
Daftar Pustaka
BatubaralohnE., "TeknologiKomunikasiMembangunlaringanlnformasi,"INFIDE
Vol. II No.4 Mei-]uli 1995.
Oikawa M. and Iga K., Applied Optics No. 21, 1982.
Kokubun Iga Y., and oikawaM., Fundamentals of Microoptics, Academic press &
Ohm Sha, Tokyo, Chapter 2,L982.
Nakagami and SakuraiT., Optical and Optoelectronic Daices for Opticat Transmission
Systems,IEEE Communications Magazine, Yol.25, No. 1., ]anuary L988.
56
JURNAL IIMIAH UPH