Perancangan Laser Osilator sebagai Sumber Gelombang Mikro

TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 73-80
ISSN : 0125-9121
Perancangan Laser Osilator sebagai Sumber Gelombang Mikro yang
Tunable dan Stabil
WILDAN PANJI TRESNA DAN NURFINA YUDHASARI
Bidang Instrumentasi Fisis dan Optoelektronika
Pusat PenelitianFisika – Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia
Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan 15314
[email protected]
Diterima: 7 September 2011
Revisi: 10 Oktober 2011
Disetujui: 1 November 2011
ABSTRAK : Tulisan ini memaparkan perancangan sebuah osilator berbasis laser dioda dengan teknik heterodyne optis.
Frekuensi yang dihasilkan berada pada range frekuensi gelombang mikro D-Band hingga H-Band yang stabil dan bersifat
tunable atau mampu tala. Sebelumnya telah dilakukan karakterisasi terhadap daya optis dan panjang gelombang laser tersebut
dengan parameter yang berpengaruh adalah temperatur dan arus injeksi laser. Diperoleh hasil bahwa laser yang digunakan
merupakan sebuah laser dengan karakterisasi panjang gelombang yang stabil dan tunable terhadap temperatur, serta mampu
beroperasi dengan baik pada suhu 10°C hingga 40°C. Frekuensi yang dihasilkan mempunyai range frekuensi terendah sebesar
1.36 GHz dan frekuensi tertinggi sebesar 8 GHz. Rata-rata frekuensi yang dihasilkan adalah 6.25 GHz tiap perubahan 1°C.
Range frekuensi yang dihasilkan tersebut tercapai dengan melakukan variasi terhadap temperatur laser pertama dari 18°C 19°C dengan temperatur laser kedua diatur konstan pada 24.7°C.
KATA KUNCI : Laser Osilator, gelombang mikro, heterodyne optis
ABSTRACT : This paper describes about the design of Laser Oscillator based on diode laser using optical heterodyne technique.
The frequency resulted was microwave frequency on D-Band until reach H –Band which is stable and tunable. Before it, the
characterization of optical power and wavelength has been carried out with temperature and injected current as the
parameters. The result obtained is that the diode laser used for thie research was a laser which can operated in the good
stability and tunability against the temperature, and it was able to operate well on the range temperature 10°C - 40°C. The
frekuensi resulted has the lowest frequency on 1.36 GHz and the highest frequency on 8 GHz. The mean frequency resulted
was 6.25 GHz by the change 1°C of the temperature. This range frequency could be reached by doing variation of operational
temperature of first laser 18°C - 19°C and setting the temperature of second laser in 24.7°C.
KEYWORD : Laser Oscillator, Microwave, optical heterodyne
1.
PENDAHULUAN
Dewasa ini Perkembangan di dunia teknologi telekomunikasi memicu para ilmuwan yang berkecimpung
dalam dunia optika dan elektronika untuk selalu berinovasi mengasilkan sumber gelombang mikro yang lebih
efisien, canggih, dan menjangkau range frekuensi gelombang mikro yang belum termanfaatkan secara maksimal.
Gelombang mikro sendiri mempunyai range yang luas, sekitar 1 – 106 GHz [1]. Pemanfaatan yang paling
umum di indonesia masih berada pada range C band hingga I band, atau sekitar 1 GHz hingga 10 GHz. Untuk
menjangau range frekuensi yang cukup luas tersebut diperlukan sebuah alat sumber gelombang mikro yang
tunable dan stabil frekuensinya.
Demi memenuhi kebutuhan tersebut, telah dirancang sebuah osilator penghasil gelombang mikro berbasis
laser dioda dengan teknik heterodyne optis yang mempunyai range frekuensi yang luas, dari area D band hingga
H Band. Laser osilator ini bersifat tunable frekuensinya dengan parameter peubah adalah temperatur
operasionalnya. Pada tulisan ini akan dijabarkan prinsip kerja laser osilator ini, berikut hasil sementara yang
dapat dicapai.
Pada laser semikonduktor, proses lasing terjadi didalam 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 [2].
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 elektron-elekron 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
73
Perancangan Laser Osilator…
Wildan Panji Tresna
diberikan ditingkatkan maka invers population akan terjadi sehingga emisi terstimulasi pun dapat mendominasi
pada arus panjar tertentu, yang disebut arus ambang ( I th )[3]. Parameter penting yang dipengaruhi oleh arus
injeksi adalah daya optis sebagai keluaran dari laser dioda. Daya optis keluaran ini dapat didefinisikan sebagai:
Pout   ext I  I th 
dimana
 ext 
(1)
dP
merupakan penurunan efisiensi kuantum laser dioda [4].
dI
Arus ambang ini juga dipengaruhi oleh temperatur operasional. Ketika temperatur operasionalnya
divariasikan ternyata dapat mempengaruhi arus ambang terjadinya lasing. Hubungan ke duanya didefinisikan
sebagai:
I th  , T   I o   expT / T0 
(2)
Berdasarkan eksperimen yang pernah dilakukan sebelumnya, bahwa panjang gelombang dari laser dapat
diatala menurut temperatur operasional yang diberikan [5]. Pada area temperatur 293 K< T’ <355 K, dapat
dihasilkan perubahan panjang gelombang sebesar 1.23 μm ≤ λ’ ≤ 1.35 μm, dengan karakterisasi yang dapat
didefinisikan dari persamaan 5 berikut,
I th  , T   I 0 '  e T '/ T0
(3)
dengan
 '    T '
(4)
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 () 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
[6]. Apabila terdapat dua medan optis E1(t) dan E2(t), dengan asumsi keduanya mempunyai polarisasi yang sama,
dapat diperoleh persamaan 5 dan 6:
E1 t  
1
P1e l 21  1 
 0 cS
(5)
E 2 t  
1
P1e l 22   2 
 0 cS
(6)
Sinyal yang berasal dari teknik heterodyne tersebut mempunyai amplitudo yang proporsional terhadap amplitudo
yang besarnya
P1 P2 , frekuensi sebesar 1   2  dan beda fasa  1   2  .
Nilai arus yang dihasilkan photodetector dapat diketahui melalui persamaan 7 berikut ini:
I RF  A cos1   2    1   2 
dengan nilai A konstan yang berasal dari nilai medan optis kedua gelombang dan =2π [7].
74
(7)
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
2.
Volume 29 (2) 2011: 73-80
ISSN : 0125-9121
METODOLOGI PENELITIAN
Metode yang digunakan adalah dengan menggunakan dua buah laser dengan panjang gelombang yang
saling mendekati sekitar 1550 nm yang berada di area C-Band. Laser diode yang digunakan adalah Laser merk
Anritsu dan Laser merk Eudyna jenis Distributer Feed Back (DFB)
Sebelum kedua laser dipadukan, dilakukan karakterisasi terhadap temperatur dan arus injeksi yang
mempengaruhi panjang gelombang serta intensitas atau daya optis dari laser tersebut. Proses karakterisasi
dilakukan untuk mengetahui memperoleh laser yang stabil dan mampu tala. Skema alat dari proses karakterisasi,
dapat dilihat pada gambar 1 berikut ini:
Kontrol Arus
Optical
Spectrum
Analyzer
(OSA)
DFB Laser
Kontrol Suhu
Gambar 1. Set-up alat karakterisasi temperatur dan arus injeksi laser.
Setelah dilakukan karakterisasi, kedua buah laser tersebut dipadukan dengan menggunakan fiber coupler
dengan faktor pembagi intensitas 50/50. Pada gambar dua di bawah ini, akan dijelaskan mengenai skema
percobaannya.
Laser Driver
Laser Driver
Laser Dioda
Fiber
Coupler
Eudyna
High Speed
Photodetector
Laser Dioda
Anritsu
Optical
Spectrum
Analyzer
RF
Spectrum
Analyzer
Gambar 2. Set-up rancang bangun alat pembangkit gelombang mikro.
Kemudian sinyal optis yang dihasilkan oleh fiber coupler terbagi menjadi dua bagian, bagian pertama
perilakunya dapat teramati dalam Optical Spectrum Analyzer (OSA) dan satu bagian lainnya akan diubah menjadi
sinyal listrik oleh High Speed Photodetector dengan seri DSC-R402. Sinyal yang telah diubah oleh Photodetector
ini nantinya akan dapat terbaca oleh RF Spectrum Analyzer.
75
Perancangan Laser Osilator…
Wildan Panji Tresna
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Laser yang digunakan dalam penelitian ini, pada awalnya dikarakterisasi terhadap arus injeksinya. Dengan
karakterisasi ini, diperoleh informasi mengenai proses lasing dari laser sekaligus hubungan antara temperatur
operasional yang digunakan terhadap arus ambang atau arus minimum yang diperlukan oleh laser agar proses
lasing dapat terjadi.
Karakteresasi terhadap arus dari laser ini diperoleh dengan merubah arus injeksi dari laser dan diperoleh
daya optisnya.
Gambar 3. Grafik karakterisasi arus injeksi terhadap daya optis pada temperatur 30°C.
Pada gambar 3 di atas, nilai arus yang diinjeksikan terhadap sistem laser berbanding lurus dengan daya
optis yang dihasilkan. Apabila arus yang diinjeksikan sudah mencukupi untuk terjadi lasing, maka proses
rekombinasi akan dapat terangsang. Dari gambar dapat diketahui bahwa arus minimum yang dibutuhkan laser
untuk menghasilkan laser pada suhu operasional 30°C adalah 12,5 mA. Artinya, sinyal Laser dihasilkan setelah
arus yang diinjeksikan adalah sebesar 12,5 mA, sedangkan jika arus yang diberikan di bawah nilai tersebut maka
yang dihasilkan adalah sinyal LED.
Gambar 4. Karakterisasi arus injeksi terhadap daya optis dimana temperatur sebagai parameternya.
Selama dilakukan variasi terhadap arus, temperatur operasional dari laser diatur agar konstan. Masingmasing temperatur yang digunakan adalah 10°C, 20°C, 30°C dan 40°C. Pada Gambar 4 dapat diketahui pengaruh
temperatur operasional terhadap arus ambang laser yang berbeda-beda. Arus ambang laser adalah 7.5 mA pada
temperatur 10°C, 10 mA pada 20°C, 12.5 mA pada 30°C dan 15 mA pada 35°C. Sehingga ketergantungan arus
ambang pada temperatur operasional tersebut dapat dijelaskan pada gambar 5 berikut ini:
76
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 73-80
ISSN : 0125-9121
Gambar 5. Grafik hubungan arus ambang laser terhadap temperatur operasional.
Dari grafik di atas, diperoleh karakterisasi yang stabil dari arus injeksi terhadap semua range temperatur
operasional. Laser dapat beroperasi dengan suhu operasional yang rendah (sekitar 10°C) hingga suhu yang cukup
tinggi (sekitar 40°C).
Untuk menghasilkan sebuah pembangkit gelombang mikro yang dapat menghasilkan frekuensi mampu
tala, dilakukan karakterisasi terhadap temperatur, karena dengan mengubah temperatur operasional dari laser,
maka nilai panjang gelombang atau frekuensi dari laser tersebut dapat berubah pula.
Gambar 6. Perubahan panjang gelombang terhadap perubahan temperatur pada arus injeksi 25 mA.
Gambar 7. Perubahan panjang gelombang terhadap perubahan temperatur pada arus injeksi 26 mA.
77
Perancangan Laser Osilator…
Wildan Panji Tresna
Gambar 8. Perubahan panjang gelombang terhadap perubahan temperatur pada arus injeksi 27 mA.
Pengambilan data dilakukan pada tiga arus injeksi konstan yakni 25 mA, 26 mA dan 27 mA. Hasil
karakterisasinya dapat dilihat pada gambar 6, 7, dan 8 di atas. Dari gambar dapat diketahui bahwa pergeseran
panjang gelombangnya bernilai 0.07 nm/°C, atau berarti jika suhu dirubah dengan selisih 1°C, maka diperoleh
perubahan panjang gelombang sebesar 0.07 nm. Nilai ini penting untuk diketahui untuk mengatur panjang
gelombang laser yang dibutuhkan. Nilai kemiringan slope dan nilai regresi linier dari grafik pada gambar 6, 7 dan
8 berbeda-beda. Nilai slope yang paling mendekati 1 adalah grafik pada gambar 8, sehingga secara kajian
eksperimental ternyata arus 27 mA merupakan nilai terbaik yang dapat digunakan agar memperoleh kestabilan
panjang gelombang laser terhadap perubahan temperatur.
Gambar 9. Frekuensi pelayangan sebesar 8 GHz yang dihasilkan dua buah laser dengan T 1 24.7°C dan T2 19°C.
Gambar 10. Frekuensi hasil pelayangan dua laser dengan memvariasikan nilai salah satu laser 18°C – 19°C
dengan satu laser lainnya bertemperatur 24.7°C.
78
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 73-80
ISSN : 0125-9121
Setelah dilakukan karakterisasi masing-masing terhadap arus dan temperatur, dapat dilakukan proses
pemaduan dua gelombang laser dengan teknik heterodyne optis. Laser pertama diatur secara konstan pada angka
24.7°C dan T2 atau Temperatur dari laser dioda kedua diubah dari angka 18°C – 19°C. Saat diubah, nilai
frekuensi laser ikut berubah berkisat angka 0.714 GHz – 8 GHz. Pada gambar 9 di atas, ditampilkan salah satu
penampakan gelombang mikro pada RF spektrum analyzer dengan frekuensi 8 GHz. Hasil secara keseluruhan
dapat dilihat pada Gambar 10.
Nilai frekuensi maksimum yang dapat terukur adalah 8 GHz, mengingat RF Spectrum Analyzer yang
digunakan hanya mampu mendeteksi sinyal sebesar maksimum 8 GHz. Adapun nilai frekuensi yang dihasilkan
sangat dimungkinkan melebihi 10 GHz mengingat range suhu salah satu laser masih belum maksimal
divariasikan. Namun, secara teori pada dasarnya ada nilai maksimum tertentu frekuensi yang mampu dihasilkan,
kemudian frekuensi hasil tersebut akan menurun kembali. Dari penelitian rancang bangun awal ini, diperoleh
nilai rata-rata frekuensi yang dihasilkan sebesar 6.25 GHz/°C.
4.
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari hasil-hasil karakterisasi, telah dapat dipenuhi syarat dua laser yang stabil dan tunable panjang
gelombangnya, serta proses lasing yang stabil di semua range suhu, rendah hingga tinggi.
Secara keseluruhan, telah didapatkan frekuensi gelombang mikro yang stabil, dengan laser pertama diatur
secara konstan pada angka 24.7°C dan T 2 atau Temperatur dari laser dioda kedua diubah dari angka 18°C – 19°C.
Saat diubah, nilai frekuensi laser ikut berubah berkisat angka 0.714 GHz – 8 GHz. Nilai rata-rata frekuensi yang
dihasilkan sebesar 6.25 GHz/°C.
Untuk memaksimumkan hasil range gelombang mikro yang diperoleh, pada tahap selanjutnya akan
dilakukan variasi range frekuensi yang lebih lebar dengan instrumen ukur yang lebih tinggi batas maksimum
pengukurannya.
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada para sivitas Pusat Penelitian Fisika LIPI yang
secara langsung maupun tidak langsung turut membantu dalam proses penelitian.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Pamungkas Daud, “Perancangan Osilator Band-C Menggunakan DRO.” Jurnal Elektronika dan
Telekomunikasi, Volume III, No.1 , Juni-Juli 2003: 39-42
[2] D. Sands, Diode Laser, Institute of Physics Publishing, 2005, Bristol and Philadelphia
[3] Cunyun Ye, Tunable External Cavity Diode Laser, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2004,
Singapore
[4] F.J. Duarte, Tunable Laser Handbook, Academic Press,Inc., 1995, California
[5] J.O’Gorman and A.F.J. Levi, Wavelength dependence of T0 in InGaAsP semiconductor laser diodes,
Application Physics Letter 1993, American Institute of Physics
[6] Chamberland, M., Michel Têtu, Pierre Tremblay. “Spectral characterization of microwave signals generated
by the heterodyne of injection-locked semiconductor lasers”, SPIE, Vol. 2155, June 1994: 41-54
[7] Yao, J., “Microwave Photonics: Photonic Generation of Microwave and Millimeter-wave Signals”,
International Journal of Microwave and Optical Technology, IJMOT, Volume 5, No.1, January 2010: 16-20
79
Perancangan Laser Osilator…
80
Wildan Panji Tresna