Pengujian Kestabilan Laser Dioda Sebagai - HFI DIY

Wildan Panji Tresna, dkk/Pengujian Kestabilan Laser Dioda Sebagai Prasyarat Sistem Pembangkitan Gelombang Mikro
172
Pengujian Kestabilan Laser Dioda Sebagai Prasyarat Sistem
Pembangkitan Gelombang Mikro
Wildan Panji Tresna dan Bambang Widiyatmoko
Pusat Penelitian Fisika – LIPI
Kaw Puspiptek Serpong - Tangerang Selatan
[email protected]
Abstrak - Telah dilakukan Pengujian kestabilan laser diode yang digunakan dalam sistem pembangkitan gelombang
mikro. Parameter kestabilan laser dioda ditinjau dari kestabilan terhadap temperatur dan kestabilan terhadap waktu.
Pengujian kestabilan terhadap temperatur dilakukan oleh karena gelombang mikro terbangkit yang dapat di tune
frekuensi keluarannya merupakan perubahan panjang gelombang laser dioda pada saat terjadi proses pelanyangan.
Sedangkan kestabilan terhadap waktu dilakukan karena aplikasi gelombang mikro dalam RADAR biasanya dalam
keadaan “menyala” sepanjang waktu pengukuran selama beberapa bulan bahkan hingga satu tahun. Pengujian
kestabilan laser diode terhadap temperatur dilakukan dengan cara merubah temperatur laser dari 20oC hingga 40oC,
perubahan temperatur akan memicu perlier elemen dan merubah rongga resonator, rongga resonator inilah yang akan
merubah panjang gelombang dari sinyal tersebut. Sedangkan kestabilan laser diode terhadap waktu dilakukan dengan
cara menyalakan sumber laser secara terus menerus selama lima hari dan mengukurnya secara kontinu setial 30 menit
sekali.
Kata Kunci : Laser diode, gelombang mikro, panjang gelombang.
Abtract : Stability tests have been carried out laser diode used in microwave generation system. Parameter stability of
the laser diode in terms of stability against temperature and stability against time. Tests conducted by the stability of
the temperature due to microwave terbangkit that can tune the output frequency of the diode laser wavelength changes
during the process pelanyangan. While the stability of the time made for the application of microwaves in RADAR is
usually in a state "on" all the time measurements for several months and even up to one year. Testing the temperature
stability of the laser diode to be done by changing the laser temperature of -20 ° C to 40 ° C, the temperature change
will trigger perlier element and change the resonator cavity, the cavity resonator is what will change the wavelength of
the signal. While the stability of the laser diode is done by turning on the laser source continuously for five days and
measured continuously setial 30 minutes.
Keyword : Diode Lasers, Microwave, Wavelenght
I. PENDAHULUAN
Perkembang teknologi saat ini memungkinkan laser
dapat digunakan sebagai sumber pembangkit
gelombang mikro. Hal ini karena laser memiliki
kelebihan dalam hal kestabilan frekuensinya, sebuah
laser diode dengan panjang 1550 nm memiliki frekunsi
terbangkit sebedar 193 THz. Sehinga hal ini dapat
dimanfaatkan untuk membangkitkan microwave
maupun miliwave dengan sistem homodyne. Kuri at.al
telah mengusulkan sistem radio on fiber dengan
membangkitkan carrier gelombang mikro dengan dua
buah laser, teknik yang dikembangkan adalah dengan
menggunakan mode dari bumber supercontinum yang
memiliki kemurnian dari sinyal yang dibangkitkan
lebih kecil dari sinyal yang digunakan untuk
membangkitkan sumber supercontinum. Percobaan
Kuri dilakukan pulan oleh Fukushima yang telah
berhasil membangkitkan frekuensi sinyal hingga 1 THz
dengan menggunakan Unitaveling-carrier photodiode.
sedangkan Musa et.al telah melakukan percobaan
pembangkitan frekuensi 500 GHz dengan Comb
generator dan diketahui bahwa phase noise yang
ditimbulkan dalam sistem tersebut hanya 1/1000 nya
jika di bandingkan dengan sistem frekuensi
multiplier[1].
Pada tulisan ini akan dibahas tentang osilator optis
sebagai sumber pembangkit gelombang mikro yang
stabil. Teknik yang dipaparkan adalah teknik optical
heterodyne dengan memanfaatkan dua buah laser diode
yang menghasilkan sinyal frekuensi tinggi yang
dipadukan
untuk
memperoleh
frekuensi
pelayangannya. Frekuensi output tersebut berasal dari
laser diode jenis Distributer Feed Back (DFB) pada
panjang gelombang 1550 nm. Frekuensi keluarannya
sudah mampu ditala baik secara temperatur ataupun
dengan merubah sinyal refleksi dari kisi-kisi optic
(grating)[2].
Karakterisasi laser diode dilakukan karena laser
diode merupakan sistem optik elektronik terintegrasi.
Masing-masing bagian pendukung sistem tersebut
harus bekerja optimal untuk menghasilkan berkas
sinyal yang stabil. Sebuah sistem laser diode terdiri
dari driver laser untuk kontrol arus injeksi dan
temperatur, power supply, display dari masing-masing
kontrolnya dan laser diodanya itu sendiri. Sedangkan
pada laser diode sudah terdapat elemen yang sangat
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
173 Wildan Panji Tresna, dkk/Pengujian Kestabilan Laser Dioda Sebagai Prasyarat Sistem Pembangkitan Gelombang Mikro
sensitiv terhadap perubahan temperature jika diberi
tegangan berupa peltier element.
II. DASAR TEORI
Pada laser semikonduktor, proses lasing terjadi di
dalam sambungan dioda semikonduktor. Untuk
mendapatkan aksi laser, semikonduktor tipe-P sebagai
pembawa muatan positif atau hole dan tipe-N sebagai
pembawa muatan negatif atau elektron harus
melakukan generasi dan rekombinasi. Pada arus panjar
nol, suatu daerah pengosongan (depletion zone)
memisahkan kedua bagian. Rekombinasi terjadi secara
kontinu dalam semikonduktor jika diberikan tegangan
luar dari kristal pembentuk semikonduktor [3].
Di sepanjang daerah pengosongan terdapat suatu
potensial barrier (barrier potential), karena lubanglubang dan elektron-elekron yang dikombinasikan
kembali (recombination) mempunyai muatan terjebak
pada tempat-tempat elektron campuran (impurities)
didalam daerah pengosongan
E = NKT = hf =
hc
λ
(1)
Secara analisa empiris menunjukkan bahwa panjang
gelombang pada sebuah laser semikonduktor
berbanding terbalik dengan nilai temperaturnya.
Bila pada sambungan dikenakan arus panjar maju
(forward panjar) yang cukup untuk mengatasi
potensial batas sambungan, daerah pengosongan akan
menghilang, dan lubang bebas bergerak melewati
sambungan ke dalam daerah N, sementara elektronelekron bebas pula bergerak kedalam daerah P.
Apabila kuat arus yang diinjeksikan atau arus panjar
lemah, maka invers population tidak terjadi. Apabila
arus panjar maju yang diberikan ditingkatkan maka
invers population akan terjadi sehingga emisi
terstimulasi pun dapat mendominasi pada arus panjar
tertentu, yang disebut arus ambang (
[3]. Parameter
penting yang dipengaruhi oleh arus injeksi adalah daya
optis sebagai keluaran dari laser dioda. Daya optis
keluaran ini dapat didefinisikan sebagai:
dapat diatala menurut temperatur operasional yang
diberikan[4]. Pada area temperatur 293 K< T’ <355 K,
dapat dihasilkan perubahan panjang gelombang sebesar
1.23 µm ≤ λ’ ≤ 1.35 µm. Persamaanya adalah
Dari persamaan 3 dan 4 dapat diketahui hubungan
antara panjang gelombang dan temperatur operasional
yang diberikan. λ pada eksperimen sebelumnya
tersebut bernilai 1.25 µm, yang artinya jika panjang
gelombang laser yang digunakan 1.55 µm, maka nilai λ
juga bernilai 1.55 nm. Hubungan inilah yang
mendasari ketergantungan frekuensi (υ) terhadap
temperatur
berdasarkan
persamaan
sederhana
dengan c adalah kecepatan cahaya bernilai
konstan
m/s.
Agar diperoleh gelombang mikro, digunakan teknik
optical heterodyne, dimana sinyal yang diperoleh
berasal dari pencampuran dua sinyal gelombang
electromagnetik pada frekuensi optik. Sinyal yang
dihasilkan merupakan selisih dari dua gelombang optik
yang berpadu. Dua sinyal yang berbeda frekuensi
tersebut berpadu melalui fiber coupler dan kemudian
diproses dalam photodetector sehingga kemudian
dihasilkan sinyal elektrik[5]. Apabila terdapat dua
medan optis E1(t) dan E2(t), dengan asumsi keduanya
mempunyai polarisasi yang sama, dapat diperoleh
persamaan 5 dan 6:
(5)
(6)
Sinyal yang berasal dari teknik heterodyne tersebut
mempunyai amplitudo yang proporsional terhadap
, frekuensi sebesar
amplitudo yang besarnya
dan beda fasa
(2)
dimana
=
merupakan penurunan efisiensi
kuantum laser dioda 4.
Arus ambang ini juga dipengaruhi oleh temperatur
operasional. Ketika temperatur operasionalnya
divariasikan ternyata dapat mempengaruhi arus
ambang terjadinya lasing[3]. Hubungan ke duanya
didefinisikan sebagai:
(3)
Berdasarkan eksperimen yang pernah dilakukan
sebelumnya, bahwa panjang gelombang dari laser
III. METODE PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam percobaan ini
menggunakan laserd diode jenis DFB dengan panjang
gelombang 1550 nm. Laser diode di trigger dengan
tegangan dari luar pada kontrol temperaturnya
sehingga akan memicu perubahan pada peltier elemen.
Pada uji kestabilan terhadap waktu laser diode
dinyalakan tanpa ada reaksi dari luar selama 5 hari
berturut-turut tanpa dimatikan atau mengalami
gangguan seperti listrik mati. Skema percobaan di
gambarkan dalam diagram pada Gambar 1.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
Wildan Panji Tresna, dkk/Pengujian Kestabilan Laser Dioda Sebagai Prasyarat Sistem Pembangkitan Gelombang Mikro
174
Kontrol Suhu DFB Laser Optical Spectrum Analyzer (OSA)
Gambar 1. Set up pengujian kestabilan temperatur
dan kestabilan terhadap waktu.
Sinyal optic yang dihasilkan oleh sumber laser
diamati dan dianalisa panjang gelombangnya
menggunakan Optical Spectrum Analyzer (OSA) merk
ANDO. Secara otomatis tampilan spectrum laser di
OSA akan menunjukan posisi panjang gelombang
terukur dan level energinya (intensitas) yang dapat di
kontrol arus injeksinya.
Pada pengujian kestabilan panjang gelombang
terhadap waktu laser dibiarkan menyala selama 5 hari
berturut-turut tanpa mematikannya, hanya saja
pengukuran dilakukan setiap 30 menit sekali yang di
mulai dari pukul 08.25 hingga pukul 17.55.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada gambar 2, dapat di lihat bahwa perlakukan
variasi temperatur
untuk mengetahui perubahan
panjang gelombangnya terlihat grafik yang cenderung
linier. Dari hasil pengukuran diperoleh data panjang
gelombang laser pada panjang gelombang 1552 nm
pada temperatur 20oC dan panjang gelombang 1550
pada temperatur 40oC. interval pengambilan data
dilakukan pada nilai 0.5oC.
Berdasarkan grafik pada Gambar 2, hungan antara
temperatur dan panjang gelombang berbading terbalik.
Secara skematis pemberian tegangan yang bervariasi
akan di respon oleh laser driver dan memberikan
perintah kepada peltier untuk menaikan atau
menunrunkan temperatur laser, perubahan temperatur
akan merubah rongga resonator yang secara otomatis
akan merubah panjang gelombang laser dioda
tersebut[2]. Dalam kaitanya dengan osilator optis
sebagai sumber pembangkit gelombang mikro,
kestabilan
panjang
gelombang
akan
sangat
berpengaruh terhadap frekuensi hasil pelayangan
gelombang mikro terbangkit.
Gambar 2.
Dari kelima grafik pada gambar 3 hingga gambar 7
menunjukkan tidak adanya perubahan panjang gelombang
yang terjadi secara lima hari berturut-turut jika tidak adanya
respon terhadap laser dioda. Hal ini penting karena dalam
aplikasinya nanti kestabilan terhadap waktu akan menjamin
tidak ada pengaruh sinyal elektronika dari luar pada sumber
gelombang mikro terbangkit. Panjang gelombang yang
terukur dari uji kestabilan tersebut adalah 1551.70 nm
Gambar 3.
Frafik pengukuran hari ke-1 uji kestabilan
panjang gelombang laser dioda
Gambar 4.
Frafik pengukuran hari ke-2 uji kestabilan
panjang gelombang laser dioda.
Gambar 5.
Frafik pengukuran hari ke-3 uji kestabilan
panjang gelombang laser dioda.
Grafik perubahan temperatur terhadap panjang
gemobang laser dioda.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
175 Wildan Panji Tresna, dkk/Pengujian Kestabilan Laser Dioda Sebagai Prasyarat Sistem Pembangkitan Gelombang Mikro
hubungan berbanding terbalik antara temperarut laser
diode terhadap panjang gelombangnya.
Pada uji kestabilan panjang gelombang terhadap
temperatur terjadi pergeseran panjang gelombang dari
1552,252 nm hingga 1550,807 nm. Sehingga nilai
pergeseran panjang gelombang tiap kenaikan oC adalah
0,072 nm/oC.
Sumber laser stabil tidak mengalami perubahan
panjang gelombang selama beberapa waktu, yang
mana sumber laser stabil tersebut dapat digunakan
dalam aplikasi yang memerlukan sumber laser tersebut
menyala secara kontinu.
Gambar 6. Frafik pengukuran hari ke-4 uji kestabilan
panjang gelombang laser dioda.
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 7.
Frafik pengukuran hari ke-5 uji kestabilan
panjang gelombang laser dioda.
[1] Bambang
Widyatmoko,
Pembangkit
Gelombang RADAR Berdasarkan Teknik
Heterodyne Optis, Prosiding Seminar Radar
Nasional 2008, 33-36
[2] F.J. Duarte, Tunable Laser Handbook,
Academic Press,Inc., 1995, California
[3] D. Sands, Diode Laser, Institute of Physics
Publishing, 2005, Bristol and Philadelphia
[4] Cunyun Ye, Tunable External Cavity Diode
Laser, World Scientific Publishing Co. Pte.
Ltd., 2004, Singapore
[5] Clifford R. Pollock, Fundamentals of
Optoelectronics, Richard Irwin, Inc, 1995,
USA
TANYA JAWAB
Kuwat Triyana, UGM
? Bagaimana proses kestabilan mempengaruhi
perubahan frekuensi sumber gelombang mikro?
Gambar 8. Tampilan sinyal laser dioda pada OSA.
V. KESIMPULAN
Uji kestabilan panjang gelombang laser diode
terhadap perubahan temperatur dan waktu kerjanya
sudah sesuai dengan pembuktian empiris tentang
Wildan Panji Tresna, LIPI
√ Frekuensi keluaran dari sumber gelombang mikro
merupakan frekuensi hasil pelayangan dari dua sumber
laser diode. Besaran yang secara langsung dapat diukur
pada laser diode adalah panjang gelombang dan yang
mempengaruhi perubahan panjang gelombang adalah
perubahan temperature yang dipicu dari perubahan
tegangan input sehingga hal tersebut akan memicu
rongga resonator dan secara karakteristik juga merubah
panjang gelombangnya.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823