Studi Rugi Daya pada Serat Optik dengan Variasi Sudut

JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No.2, (2013) 2301-928X
1
Studi Rugi Daya pada Serat Optik dengan Variasi
Sudut Lekukan dan Jumlah Lekukan
Hadziqul Abror, Melania Suweni Muntini
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: [email protected]
Abstrak—Telah dilakukan studi rugi daya pada serat optik
dengan variasi sudut lekukan dan jumlah lekukan. Prinsip dasar
studi ini adalah adanya rugi daya akibat lekukan makro pada serat
optik. Dilakukan studi rugi daya akibat lekukan serat optik dengan
jarak antar lekukan 5 cm dengan variasi jumlah lekukan satu
sampai tiga lekukan dengan sudut 300 sampai 1500. Dari
percobaan didapatkan semakin banyak lekukan maka semakin
besar rugi daya yang terjadi, serta semakin kecil sudut lekukan
maka semakin besar rugi daya yang terjadi.
Kata Kunci—Sensor, Fiber optic, Macrobending,
Rugi daya
I. PENDAHULUAN
Serat optik (fiber optic) banyak digunakan dalam
sistem komunikasi karena memiliki kecepatan transmisi
tinggi serta paling efisien. Namun demikian, serat optik
juga bisa digunakan sebagai sensor. Sensor-sensor
tersebut memanfaatkan adanya rugi daya yang terjadi
padanya, baik rugi daya tersebut karena adanya
lengkungan, atenuasi jarak, perubahan nilai indeks bias
dan sebagainya.
Pada penelitian sebelumnya, telah dipelajari terkait
karakterisasi rugi daya akibat kelengkungan fiber optik
serta penggunaannya, salah satunya adalah pemanfaatan
rugi kelengkungan untuk sensor pergeseran tanah.
Sensor ini menggunakan detector berupa Optical Time
Domain Reflectometer (OTDR) yang harganya sangat
mahal serta membutuhkan fiber optik lebih dari seratus
meter agar memungkinkan pengukuran dengan OTDR.
Dari sinilah dilakukan perancangan sebuah sensor
pergeseran berbasis serat optik plastic dengan
memanfaatkan prinsip dasar rugi daya akibat lekukan
pada serat optic (macrobending) yang dapat mendeteksi
pergeseran sehingga bisa digunakan untuk sistem
monitoring. Selain memodelkan sensor pergeseran juga
akan dikarakterisasi sensor yang telah dibuatmenurut
karakter-karakter statis sensor.
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Sensor
Sensor adalah alat yang dapat menerima rangsangan dan
merespon dengan suatu sinyal elektrik.Rangsangan adalah
kuantitas, sifat, atau kondisi yang dirasakan dan dikonversi ke
dalam sinya elektrik.Tujuan dari suatu sensor adalah untuk
merespon suatu masukan sifat fisis (rangsangan) dan
mengkonversikannya ke dalam suatu sinyal elektrik melalui
kontak elektronik.Sensor dapat dikatakan sebagai suatu
translator dari nilai non elektrik menjadi nilai elektrik.Elektrik
artinya sinyal yang dapat disalurkan, dikuatkan dan
dimodifikasi oleh alat elektronik.Sinyal keluaran sensor dapat
berupa tegangan atau arus. Sinyal keluaran juga dapat
digambarkan sebagai masukan amplitude, frekuensi, face atau
kode digital [1].
Karakterisasi sensor dilakukan untuk mengetahui kinerja
sistem sensor yang telah dirancang, dalam hal ini sensor
dianggap sebagai ”black box” yang karakteristiknya
ditentukan oleh hubungan antara sinyal keluaran dan masukan.
Karakteristik statik ditentukan oleh sifat sensor yang
perubahan responnya tidak berubah terhadap waktu, beberapa
hal yang termasuk dalam karakteristik statik sensor meliputi
kalibrasi, linieritas, sensitivitas, jangkauan pengukuran,
saturasi, dan repeatibility.
B. Serat Optik
Fiber Optic (Serat Optik) merupakan pemandu gelombang
dielektrik yang beroperasi pada frekuensi optik. Serat optic
membatasi energi elektromagnetik dalam bentuk cahaya
didalam permukaannya dan memandu cahaya dalam arah
paralel terhadap aksisnya. Pada umumnya serat optik terdiri
dari dua bahan dengan karakter optis yang berbeda untuk
cladding dan core. Komposisi core menduduki 85 % dari total
fiber yang memandu cahaya, yang tersusun dari bahan silikon
oksida, dan dilapisi dengan serat kaca, dan pada umumnya
core memiliki index bias yang lebih tinggi daripada cladding
[4].
Prinsip pemanduan cahaya dalam serat optik berdasarkan
pemantulan dalam sempurna(total internal reflection). Sudut
yang menentukan terjadinya total internal reflection
dinamakan sudut kritis. Gelombang-gelombang dalam pandu
gelombang tertahan karena pemantulan sempurna dari dinding
gelombang, sehingga propagasi dalam pandu gelombang kirakira dapat digambarkan seperti “zig-zag” diantara dindingdinding pandu gelombang. Deskripsi ini tepat untuk
gelombang elektromagnetik dalam tabung berongga yang
berbentuk persegi atau lingkaran[3].
C. Rugi Daya Akibat lekukan
Formula rugi kelengkungan menyatakan nilai dari tekanan
kelengkungan pada serat. Penjelmaan dari kelengkungan
serat ekivalen dengan serat lurus menghasilkan
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No.2, (2013) 2301-928X
termodifikasinya distribusi index. Kita apat menggunakan
persamaan berikut untuk slow bend (x<<R), yang mana R
merupakan lengkungan fiber dan x adalah posisi dari arah
lengkungan:
𝑥
𝑥
𝑛′ = 𝑛𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑒 𝑅 ≈ 𝑛𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 (1 + 𝑅)
(1)
Indeks bias dari serat yang ditegangkan (n’) mengalami
distorsi terhadap situasi fiber tanpa tegangan dan nilainhya
dapat dinyatakan sebagai berikut:
𝑛𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 𝑛[1 −
𝑛2 𝑥
2𝑅
2
III. METODOLOGI PERCOBAAN
A. Set up Alat
Peralatan terdiri atas rangkaian LED Inframerah, rangkaian
FOtotransistor, serat optic yang dilekukan bentuk Z, media
geser, pengondisi sinyal, minimum system ATMega 8535,
serta LCD.
�𝑝12 − 𝜗(𝑝11 − 𝑝12 )�] (2)
Dimana p11 dan p12 nerupakan komponen dari fotoelastis
tensor dan v merupaka rasio poisson.
Gambar 2. Set up alat percobaan
B. Langkah Kerja
Gambar 1. (a). profil indeks bias efektif saat fiber optic lurus (b).
profil indeks bias fiber optic saat ada lengkungan
Semakin kecil radius tikungan semakin besar akan
menjadi fraksi bergerak cepat terpengaruh dan karenanya
lebih besar adalah persentase cahaya hilang di tikungan [3].
D. Fototransistor dan Mikrokontroller
Fototransistor adalah semikonduktor photovoltage atau
semikonduktor fotokonduktif yang dioperasikan pada
tegangan bias balik negatif. Detektor photovoltage adalah
detektor aktif yang membangkitkan tegangan diri pada saat
tersinari.Alat ini kemudian mengubah energi radiasi yang
datang menjadi energi listrik. Tegangan keluaran sensor
kemudian deprogram dengan mikrokontroller. Sistem
minimum mikrokotroler adalah rangkaian elektronik minimum
yang
diperlukan
untuk
beroperasinya
IC
mikrokontroler.Kemudian system ini dihubungkan dengan
rangkaian lainnya untuk menjalankan fungsinya.Ada banyak
seri pada mikrokontroler tetapi yang sering digunakan yaitu
seri 8535.
Ada beberapa komponen yang dibuat untuk merangkai
system ATmega AVR 8535 diantaranya yaitu :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
IC Mikrokontroler ATmega 8535
1 XTAL 4 Mhz
Kapasitor
Resistor
Tombol reset pushbutton
Diperlukan power supply untuk memberikan
tegangan 5V.
Percobaan dilakukan dengan metode pengujian
sensor ini adalah sebagai berikut:peralatan diset up
sebagaimana Gambar 2. Powes sply dinyalakan, bidang
geser ditarik secara perlahan dengan setiap kenaikan 0.5
cm dilakukan pembacaan pada LCD, data hasil
percobaan dicatat. Kemudian diuji balik dengan melepas
bidang geser setiap pengurangaan 0.5 cm, dilakukan
pembacaan dan dicatat. Percobaan diulangi dengan lima
kali perulangan.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem sensor yang dipilih memiliki jumlah lekukan
sebanyak dua lekukan. Range pergeseran yang terbaca adalah
dari 0 – 4 cm. pada Sensor ini dikondisika lekukan lebih besar
daripada 600, hal ini untuk meminimalisir kerusakan serat
optic akibat lekukan yang terlalu tajam yang meyyebabkan
serat optk cepat rusak, sehingga diharapkan dapat bertahan
untuk waktu yang lama. Konfigurasi lekukan sensor
sebagaimana Gambar 3.
Gambar 3. Konfigurasi serat optik (Z form)
Pada fabrikasi sensor ini digunakan penguat differensial
dengan penguatan 3,3 kali. Hal ini karena selisih perubahan
tegangan akibat adanya pergeseran relatif kecil. Resistansi
maksimum fototransistor ketika intensitas cahaya maksimal
adalah 186,6 Ohm dan ketika intensitas cahaya minimum
sebesar 216,6 Ohm.
Dengan menggunakan konfigurasi
pembagi tegangan, maka besar tegangan output sensor dapat
diukur. Tegangan keluaran ini merupakan perbandingan dari
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 1, No.2, (2013) 2301-928X
resistansi (R=330 Ohm) terhadap resistansi total rangkaian
dikali besar VCC +5Volt.
3
ditarik maka butuh waktu yang relatif lama untuk kembali ke
kondisi awal.
Persamaan yang didapatkan adalah y = 0,574x4 - 3,415x3
+ 7,210x2 - 5,116x + 1,175 dengan bnilai kedekatan terhadap
referensi sebesar R2=0,999. Besar eroer relatif hasil
mikrokontroler terhadap hasil pengukuran penggaris sebesar
9,503523%.
V. KESIMPULAN
Gambar 4. Grafik jarak pergeseran terhadap tegangan
pada saat ditarik
Dari grafik terlihat bahwa jangkauan pengukuran dari
sebesar 2.199 Volt. Jangkauan pengukuran ini lebih besar
daripada sebelum penguatan, hal ini berarti perubahan kecil
lebih dapat dideteksi sehingga sensitifitas sensor lebih besar.
Grafik yang didapatkan dari percobaan dapat didekati dengan
kalibrasi referensi yang paling memungkinkan berbentuk
polynomial orde 4. Hal ini karena dengan adanya tarikan,
indeks bias core berubah mendekati indeks bias cladding
dengan perubahan yang tidak linier, maksudnya dengan
perubahan darikan yang sama menyebabkan perubahan sudut
yang sama tetapi perubahan indeks bias tidak sama.
Data yang diperoleh mempunyai nilai kedekatan yang besar
terhadap garis referensi poliomial orde 4 dengan R2 = 1.
Fungsi transfer yang diperoleh dari percobaan y = 0,394x4 2,058x3 + 3,798x2 - 1,776x + 0,169. Nilai error relatif hasil
mikrokontroller terhadap hasil pengukuran dengan penggaris
didapatkan adalah sebesar 1,0321888%.
Telah dilakukan pemodelan sensor pergeseran dengan
memanfaatkan prinsip macrobending serat optik. Serat Optik
dibuat berbentuk “Z” dengan sudut minimum 600agar serat
optic tidak rusak karena lekukan yang tajam. Receiver
intensitas cahaya berupa fototransistor. Semakin banyak
intensitas, maka hambatan fototransistor semakin kecil.
Dengan prinsip pembagi tegangan yang dibuat, serta tegangan
keuaran tersebut dikondisikan dengan penguat differensial dan
di konversi oleh ADC mikroontroller ATMega 8535.
Fabrikasi sensor pergeseran yang dibuat memiliki jangkauan
pengukuran sebesar 2.199 Volt dengan jarak maksimal
pergeseran 3.86 cm. Grafik pergeseran terhadap tegangan
sensor mendekati referensi persamaan polynomial orde-4.
Nilai error relatif sebesar 1,0321888 % ketika uji tarik dan
9,503523 %.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Ibu Dr. Melania
Suweni Muntii, M.T. yang telah bersedia membimbing
sehingga terbentuknya makalah ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
[4]
Gambar 5. Grafik jarak pergeseran terhadap tegangan
pada saat lepas
Pada proses media uji dilepas, maka menghasilkan
grafik sebagaimana Gambar 5. Besar tegangan yang
dihasilkan relatif lebih besar daripada ketika ditarik. Hal ini
secara fisis kareana serat optic yang berbahan plastic ketika
ditarik kemudian dilepas pada kondisi yang sama, besar indeks
biasnya tidak sama, sehingga tegangan yang diperolehpun
berbeda. Kenapa lebih besar karena disebabkan, plastic yang
Freden, Jacob. 2003. Handbook Of Modern Sensor, Physics, Designs,
and Application. Springer. San Diego USA
Martin, Andre and all. Modeling of Bend Losses in Single-Mode Optical
Fibers.Santoago: FCT through FEFOF (PTDC/EEA-TEL/72025/2006)
project
Keiser, Gerd.1991. Optical Fiber Communication.Singapore:McGrawHill Book
Schot, Shibata and S. Takashimashi.1976.Effect Of Some Manufacturing
Condition On the Optical Loss Of Compound Glass Fibers.Tokai
:Ibaraki Electrical Communication Laboratory, Nippon Telegraph and
Telephone Public Corporation.