analisis pengaruh variasi erbium terhadap indeks bias dan energy

Jurnal Sainstech Politeknik Indonusa Surakarta ISSN : 2355-5009 Vol. 1 Nomor 5 Juni Tahun 2016
ANALISIS PENGARUH VARIASI ERBIUM TERHADAP INDEKS
BIAS DAN ENERGY GAP KACA ER:TZBN UNTUK APLIKASI
OPTICAL AMPLIFIER
Rudi Susanto1), Ahmad Marzuki2)
1
STMIK Duta Bangsa Surakarta
Jl. Bhayangkara 55-57 Surakarta 57154
e-Mail : [email protected]
2
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta
Jl. Ir Sutami 36 A
ABSTRAK
Tujuan penelitian ini adalah untuk membuat kaca tellurite yang sesuai untuk aplikasi optical
amplifier. Kaca tellurite dibuat dengan komposisi Er:TZBN [55TeO2-2Bi2O3-(43-x)ZnO-xEr2O3
] dimana (x=0,5; 1; 1,5; 2; 2,5). Fabrikasi dilakukan dengan melt–quenching technique.
Sampel dipanaskan pada temperatur 900 0C selama 1 jam. Pencetakan dilakukan dengan cara
menuangkan leburan panas dalam mould bersuhu 265 0C secara cepat lalu didinginkan
secara natural. Proses karakterisasi kaca dilakukan dengan uji UV/VIS, uji n (indeks bias), dan
uji  (densitas). Pengukuran semua sifat fisik dan optik dilakukan pada suhu kamar setelah
mendapat perlakukan panas yang sama. Hasil menunjukkan bahwa penambahan Erbium
menurunkan nilai Energy Gap. Rentang nilai Energy Gap berada pada kisaran 4-5 eV, nilai
Energy Gap yang besar menunjukan bahan merupakan isolator yang berpotensi sebagai bahan
optical amplifier.
Kata Kunci : energy gap, indeks bias, kaca tellurite, optical amplifier.
keperalatan
fotonik
aktif
dalam
telekomunikasi optik seperti saklar optik
cepat, konventer frekuensi, serat optik non
linier dan laser optik (El-Mallawany et al,
2001). Selain itu, kaca tellurite fonon
energinya rendah, stabil terhadap kristalisasi
dan rentang transmisinya sangat lebar
sehingga kemungkinan untuk didadah dengan
ion tanah jarang dengan konsentrasi yang
sangat besar.
Sifat optik non linier dapat diketahui
dari polarisabilitas (Azlan et al, 2014). Pada
umumnya kenaikan polarisabilitas ion oksida
naik dengan kenaikan indeks bias dan
penurunan energy gap (Dimitrov, 2010). Oleh
karenan itu penelitian ini bertujuan untuk
memperoleh informasi mengenai indek bias,
polarisabilitas dan energy gap kaca tellurite
yang didadah dengan erbium untuk aplikasi
optical amplifier.
I.
PENDAHULUAN
Kaca tellurite merupakan kaca yang
baik untuk digunakan sebagai bahan kaca
fiber amplifier. Kaca tellurite mendapatkan
perhatian lebih karena mempunyai banyak
keunggulan (Azlan et al, 2014). Beberapa
keunggulanya
kaca
tellurite memiliki
karakteristik terpenting yaitu memiliki
polarisabilitas dan indeks bias yang tinggi,
dimana dengan faktor tersebut kaca tellurite
dapat dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi
peralatan optik. Besarnya nilai indeks bias
tersebut dipengaruhi oleh polarisabilitas dari
ion tellurite (Manning, 2011)
Pendekatan polarisasi dibutuhkan untuk
mendesain
material
fungsional
optik.
Polarisasi terjadi terhadap medan listrik,
penyimpangan terhadap hubungan linier antar
material dengan medan listrik ini yang dikenal
dengan optik non linier. Kaca optik non linier
memiliki kemampuan untuk diaplikasikan
9
II.
METODE PENELITIAN
Fabrikasi Kaca tellurite dibuat dengan
mengunakan teknik melt–quenching. Kaca
dibuat dengan bahan TeO2, Bi2O3, ZnO dan
Er2O3. Dalam penelitian ini kaca dibuat
dengan komposisi 55TeO2-2Bi2O3-(43x)ZnO-xEr2O3 dimana (x=0,5-2,5). Bahan
ditimbang dengan neraca digital sesuai
dengan perbandingan komposisi, kemudian
dicampur dan dihaluskan dengan mortar dan
alu. Campuran bahan diletakkan dalam wadah
cruible platina kemudian dipanaskan sampai
melewati titik leleh dalam furnace listrik.
Pencetakan
dilakukan
dengan
cara
menuangkan leburan panas ke dalam mould
(cetakan kaca) berbahan stainless steel. Hasil
kaca dipanaskan pada suhu sekitar 265 0C
selama 3 jam kemudian didinginkan dengan
laju 20C/menit menuju suhu kamar.
Selanjutnya
sampel
diamplas
hingga
berkualitas optik, dari grade kasar ke halus
dengan spesifikasi grade 1000, 2400 dan
4000.
Penentuan nilai indeks bias dilakukan
dengan cara pengukuran reflektansi dengan
metode sudut Brewster. Sampel diletakkan
pada posisis tegak dengan permukaan di sinari
laser HeNe dengan panjang gelombang 632,8
nm di dalam ruangan gelap. Penentuan nilai
indek bias dilakukan dengan cara mencari
nilai intensitas terendah yang dihasilkan dari
pemantulan cahaya terhadap bidang kaca
dengan cahaya terpolarisasi Tm. Atau dengan
kata lain seluruh sinar hampir semuanya
ditransmisikan sehingga nilai reflektansi
mendekati nol.
Sedangkan nilai
merupakan sudut kritis
hasil pengukuran.
Hasil
pengukuran
indeks
bias
ditunjukan dengan grafik
untuk mode
Tm (Transverse magnetic). Grafik hasil
pengukuran indeks bias disajikan dalam
Gambar 1 a sampai e pada komposisi
55TeO2-2Bi2O3-(43-x)ZnO-xEr2O3
dimana
(x=0,5-2,5), masing-masing sampel dilakukan
pengukuran tiga kali dimana hasil yang
digunakan dalam penelitian ini adalah ratarata dari ketiga pengukuran tersebut.
a
b
c
d
e
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Indeks bias merupakan salah satu sifat
yang penting dalam karakterisasi kaca. Dalam
penelitian ini pengukuran nilai indeks bias
dilakukan dengan mengunakan prinsip sudut
Brewster, seperti yang dinyatakan dalam
persamaan 1
=
Persamaan
tersebuat
didapatkan
persamaan dasar
= dimana
Gambar 1. Grafik Hasil Pengukuran Indeks
Bias
untuk mode Tm pada =
632,8 nm
Nilai indeks bias dalam penelitian ini
ditunjukan Tabel 1 dari penelitian ini
didapatkan nilai indeks bias antara 1,9013
sampai 1,9833.
Hasil pengukuran ini
menunjukan kenaikan dengan penambahan
nilai konsentrasi Er2O3, kenaikan indeks
bias tersebut bisa di lihat pada Gambar 2.
(1)
dari
= 1.
karena cahaya datang dari udara menuju ke
kaca dengan indeks bias sehingga ( = ).
10
persamaan 6, nilai energy gap disajikan dalam
Tabel 2. Nilai densitas ( ) dan indeks bias (n)
yang digunakan dalam perhitungan ini adalah
nilai hasil eksperimen.
= 20(1 − )
(6)
Tabel 1. Indeks Bias Kaca
Kaca
Er2O3
(mol%)
Indeks Bias
1
2
3
4
0,5
1,0
1,5
2,0
1,9013 ± 0,0098
1,9240 ± 0,0052
1,9500 ± 0,0000
1,9600 ± 0,0000
5
2,5
1,9833 ± 0,0058
Nilai energy gap dapat juga
ditentukan dengan metode Tauc’s Plot,
dengan grafik ( ℎ ) versus energy photon
(ℎ ) (Chimalawong, 2009). Dimana nilai
adalah koefisien absorbsi yang dituliskan
dengan persamaan 7
= 2,303 × ( )/
(7)
Gambar 2. Kenaikan Nilai Indeks Bias Kaca
)
Hubungan antara densitas ( ), indeks
bias (n) dan molar refraction ( ), molar
volume ( ) dan molar polarizability ( ) di
tuliskan
dalam
persamaan-persamaan
(Chanshetti et al, 2011)
=
( ℎ ) (
Dimana OD adalah optical density dan d
adalah tebal kaca. Tauc’s Plot untuk
penentuan energy gap seperti pada Gambar 3
dan energy gap pada Tabel 2.
(2)
Dimana M adalah molecular weight.
Kemudian molar refraction ( ) berdasar
(Eraiah, 2006) dituliskan
ℎ (
)
Gambar 3. Tauc’s Plot untuk penentuan
energy gap
=
(3)
Hubungan antara
dan
dituliskan dalam
persamaan 4 (Dimitrov, 2010).
=4
/3
(4)
Dimana 4
/3 adalah nilai yang konstan,
sesuai dengan (Dimitrov, 2010) maka
persamaan 4 dituliskan dalam persamaan 5
= 2,52
(5)
Dari persamaan 5 tersebut nilai molar
polarizability ( ) disajikan dalam Tabel 2.
Rumus empiris dari energy gap ( )
berdasar (Dimitrov, 2010) dituliskan dalam
Tabel 2. Nilai Molar Polarizability (α ) dan
Energy Gap (E )
11
Tauc’s
Plot
(eV)
Er2O3
(mol
%)
Molar
Polarizability
( )
Energy
Gap
)
1
0,5
0,00095
5,70903
4,032
2
1,0
0,00098
5,53672
4,025
3
1,5
0,00097
5,34616
4,021
4
2,0
0,00100
5,27483
4,020
Kaca
5
2,5
0,00104
5,11251
4,018
Chanshetti , U. B. Chanshetti, V. A. Shelke, S.
M. Jadhav, S. G.Shankarwar. 2011.
Density And Molar Volume Studies Of
Phosphate Glasses. Physics. Chemistry and
Technology Vol. 9, No 1, 2011, pp. 29 – 36
Chimalawong,
P.
,
Kaewkhao dan
Limsuwan.2009. Optical Investigation and
Electronic Polarizability of Nd3+ Doped
Soda-Lime-Silicate
Glasses.
Mahasarakham University, Thailand
Dimitrov,
T.
Komatsu.
2010.
An
Interpretation Of Optical Propertiesof
Oxides And Oxide Glasses In Terms Of
Theelectronic Ion Polarizability And
Averagesingle Bond Strength. Journal of
the University of Chemical Technology
and Metallurgy, 45, 3, 2010, 219-250
El-Mallawany, Raouf A.H. 2001. Tellurite
glasses handbook : physical properties and
data. CRC PRESS : London
Eraiah, B. 2006. Optical properties of
samarium doped zinc–tellurite glasses.
Bull. Mater. Sci., Vol. 29, No. 4,
August 2006, pp. 375–378
Manning, S. 2011. A Study of Tellurite Glass
for Electro-optic Fibre Devices. A Thesis
Doctor of Philosophy in the Faculty of
Science School of Chemistry & Physics
University of Adelaide. Australia
Nilai molar polarizability ( ) dan
energy gap ( ) pada Tabel 2 berdasar
persamaan 5 dan persamaan 6 diketahui
bahwa penambahan konsentrasi mol Er2O3
akan memberikan trend naik pada molar
polarizability ( ) dan memberikan trend
turun nilai energy gap
( ). Sehingga
hubungan antara indeks bias (n) dan molar
polarizability ( ) adalah linier dan
berbanding terbalik dengan nilai energy gap
( ).
Nilai energy gap pada metode Tauc’s
Plot memberikan nilai kisaran dengan 4 eV,
sedangkan pada perhitungan kisaran 5 eV hal
ini dimungkinkan karena perbedaan metode
yang menyebabkan perbedaan ketelitian. Pada
umunya kenaikan polarisabilitas ion oksida
naik dengan kenaikan indeks bias dan
penurunan energy gap (Dimitrov, 2010).
Penambahan Erbium pada struktur kaca
menyebabkan terbentuknya struktur yang
lebih rapat yang berpengaruh pada
polarisabilitas, indeks bias, dan energy gap.
Rentang nilai Energy Gap berada pada kisaran
4-5 eV tersebut menunjukan kaca merupakan
isolator yang berpotensi sebagai bahan optical
amplifier.
IV.
KESIMPULAN
Kaca dengan komposisi 55TeO22Bi2O3-(43-x)ZnO-xEr2O3 dimana (x=0,52,5) telah berhasil dibuat. Nilai indeks bias
dan molar polarizability meningkat dengan
penambahan Erbium. Nilai
Energy gap
menurun dengan penambahan konsentrasi
erbium. Penambahan Erbium pada struktur
kaca menyebabkan terbentuknya struktur yang
lebih rapat yang berpengaruh pada
polarisabilitas, indeks bias, dan energy gap
DAFTAR PUSTAKA
Azlan et al. 2014. Polarizability And Optical
Basicity Of Er3+ Ions Doped Tellurite
Based Glasses. Chalcogenide Letters Vol.
11, No. 7, July 2014, p. 319 – 335
12