karakterisasi fiber brag grating terhadap suhu - HFI DIY

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010
hal. 241-246
241
KARAKTERISASI FIBER BRAG GRATING TERHADAP SUHU
MENGGUNAKAN TEKNIK SAPUAN PANJANG GELOMBANG LASER
Andi Setiono dan Bambang Widiyatmoko
Group THz-Photonics, Bidang Instrumentasi Fisis dan Optoelektronika
Pusat Penelitian Fisika – LIPI
Komplek PUSPIPTEK, Setu, Tangerang Selatan
INTISARI
Fiber brag grating (FBG) merupakan sensor optik yang bekerja berdasarkan efek resonan dari suatu kisi kisi indek bias,
dimana panjang gelombang resonannya ditentukan oleh jarak kisi-kisinya. Dari prinsip tersebut maka bila jarak kisi-kisi berubah
karena adanya perubahan suhu maka puncak panjang gelombang resonannya juga akan berubah. Perubahan puncak resonan
diukur untuk mengetahui suhu yang mengenainya. Dalam skala laboratorium, karakterisasi FBG terhadap perubahan suhu
dilakukan dengan menggunakan Amplified Spontaneous Emission (ASE) sebagai sumber cahaya dan Optical Spectrum Analyzer
(OSA) sebagai alat untuk mendapatkan hasilnya. Namun teknik ini memerlukan peralatan mahal dan besar ukurannya sehingga
tidak praktis dalam penggunaannya. Dalam penelitian ini diusulkan teknik sapuan (sweep) panjang gelombang laser untuk
meng-karakterissasi FBG terhadap perubahan suhu yang mengenainya. Sumber cahaya dipakai Distributed Feedback (DFB)
Laser dimana sapuan panjang gelombang dilakukan dengan merubah suhu operasi laser. Cahaya laser diteruskan ke FBG yang
suhunya divariasi dan dikontrol menggunakan temperature control dengan ketelitian 0,1 oC. Selanjutnya daya laser yang
diteruskan oleh FBG ditangkap photodetektor untuk menghasilkan tegangan yang sesuai dengan daya laser yang diterima. Hasil
penelitian menunjukkan adanya hubungan linier yang baik antara suhu dengan panjang gelombang resonan dari FBG. Dengan
demikian FBG dapat diaplikasikan secara potensial dalam sensor suhu.
Kata kunci : Fiber Brag Grating, Laser diode, Sensor suhu, Resonant wavelength
I. PENDAHULUAN
Bragg grating merupakan suatu jenis kisi (Bragg) yang dapat difungsikan sebagai reflektor optik.
Jika kisi Bragg ini disusupkan pada suatu serat optik (singlemode), maka akan terbentuk Fiber Bragg
Grating (Kasyap, 2010). Fiber Bragg Grating ini merupakan suatu media transmisi yang difungsikan
sebagai filter optik atau pun reflektor optik. Dalam serat optik kisi Bragg tersusun seperti segmensegmen yang terdistribusi dengan jarak yang sama. Dalam kondisi tertentu FBG akan memantulkan
beberapa panjang gelombang optik tertentu dan meneruskan panjang gelombang optik tertentu juga
(Ando, M et al., 2004; Keio Fujita et al., 2005).
Mekanisme kerja dari FBG ditunjukkan dalam Gambar 1. Panjang gelombang cahaya pantul atau
disebut “brag wavelength” sangat tergantung oleh suhu dari elemen FBG nya. Oleh karena satu
element dari FBG hanya memantulkan cahaya dalam spektrum yang sempit, maka elemen FBG dapat
dikombinasikan dalam beberapa elemen membentuk beberapa sensor atau disebut multiplexing sensor
sistem (Kasyap, 2009).
Gambar 1. Stuktur fiber brag grating beserta spektrum pantulan dan transmisi
FBG memiliki karakteristik spesifik berupa panjang gelombang Bragg (λB). Nilai panjang
gelombang Bragg ini dipengaruhi oleh beberapa keadaan diantaranya variabel suhu. Pada perancangan
karakteristik FBG, perlu diketahui performa panjang gelombang Bragg ketika diberi gangguan suhu.
ISSN 0853 - 0823
242
Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan
Panjang Gelombang Laser
Performa perubahan panjang gelombang Bragg pada tiap-tiap gangguan tersebut dapat diidentifikasi
dengan teknik sapuan (sweep) panjang gelombang laser (Widiyatmoko, 2009). Inti dari teknik ini
adalah memberikan beberapa sampling panjang gelombang tertentu kepada FBG dimana sumber
sampling ini berasal dari pengkondisian suhu laser pada level yang bervariasi. Pada kegiatan tersebut,
dicermati bahwa jika λLD ≠ λB maka power laser ditransmisikan maksimum dan jika λLD = λB maka
power laser ditransmisikan minimum (maksimum dipantulkan/dibalikkan).
II. METODE PENELITIAN
1. Perancangan Karakteristik FBG Dengan Teknik Sapuan Laser Dioda
Untuk perancangan karakteristik FBG, diperlukan pengujian beberapa percobaan antara lain :
a. Performa panjang gelombang laser terhadap perubahan suhu laser
b. Performa panjang gelombang Bragg FBG dengan teknik sweep panjang gelombang laser
c. Performa pergeseran panjang gelombang Bragg FBG akibat perubahan suhu FBG
2. Uji Linieritas Suhu Laser terhadap Panjang Gelombang Laser
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui performa linieritas antara suhu laser dengan panjang
gelombang laser. Model pengujiannya dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Rancangan percobaan uji stabilitas power optik laser dioda
3. Uji Performa Panjang Gelombang Bragg FBG
Pengujian ini dilakukan untuk mengidentifikasi nilai panjang gelombang Bragg dari FBG dengan
cara mentransmisikan cahaya laser yang memiliki suhu bervariasi. Variasi suhu ditetapkan 38°C – 20°C
dengan interval 0,1°C. Rancangan percobaan dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Rancangan percobaan pengidentifikasian panjang
gelombang Bragg FBG (λB)
4. Uji Performa Panjang Gelombang Bragg Dengan Suhu FBG Dikondisikan Terhadap
Intensitas Transmisi dan refleksi FBG
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui performa pergeseran panjang gelombang Bragg FBG
akibat pengaruh perubahan suhu. Suhu FBG dikondisikan pada 25 oC, 28 oC, dan 31 oC.
Gambar 4. Rancangan percobaan pengidentifikasian pergeseran panjang
gelombang Bragg akibat perubahan suhu FBG ( TB)
ISSN 0853 - 0823
Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan
Panjang Gelombang Laser
243
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
III.1. Pengujian Linieritas Panjang Gelombang Laser Terhadap Perubahan Suhu Laser
Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui hubungan antara suhu laser dengan panjang
gelombang laser, dimana dalam hal ini suhu laser diubah dengan menurunkan suhu laser tiap 0,1 oC
dari suhu 38,0 oC sampai 20,0 oC. Interval suhu ditetapkan antara suhu 38,0 oC sampai 20,0 oC
Dari data-data hasil pengujian diperoleh performa linieritas antara suhu laser dan panjang
gelombang laser seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Grafik Performa linieritas antara suhu laser dengan panjang
gelombang laser
Grafik tersebut menunjukkan bahwa suhu laser linier dengan panjang gelombang laser. Hal ini
didukung oleh nilai keteraturan sebaran data pada grafik yang mendekati 1, yakni R2 = 0,991. Dengan
demikian dapat dikatakan bahwa perubahan suhu laser identik dengan perubahan panjang gelombang
laser, dimana semakin kecil suhu laser maka semakin besar panjang gelombang laser.
III.2. Pengujian Keandalan FBGS
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui nilai panjang gelombang Bragg dari FBG yang
digunakan di dalam penelitian ini. Dalam pengujian ini, sumber optik yang digunakan adalah DFB
laser dioda dengan arus injeksi diset sebesar 50 mA. Nilai panjang gelombang dan daya optik diukur
dengan OSA (IOSA). Untuk data pembanding, intensitas optik juga diukur dengan menggunakan
Powemeter (IPWM).
Data-data panjang gelombang dan intensitas transmisi optik yang diperoleh dari pengujian ini
dideskripsikan pada Gambar 6.
ISSN 0853 - 0823
244
Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan
Panjang Gelombang Laser
Gambar 6. Grafik performa panjang gelombang Bragg dan intensitas optik transmisi FBG dengan
men-sweep sinar laser pada FBG
Grafik tersebut memperlihatkan pergeseran panjang gelombang optik transmisi ketika FBG disweep dengan variasi suhu laser dengan interval suhu 0,1oC. Interval suhu ditetapkan antara suhu 38oC
sampai 20oC. Dari grafik dapat dicermati bahwa intensitas optik keluaran laser mula-mula
ditransmisikan secara maksimal oleh FBG. Penurunan intensitas optik transmisi mulai mencolok ketika
suhu laser diset sebesar 30,2oC dengan λ=1551,42 nm, IOSA= -9,97 dan IPWM= -9,66 dBm. Hal ini
menunjukkan bahwa mulai dari pengaturan suhu laser sebesar 30.2oC, intensitas optik refleksi semakin
besar.
Intensitas optik transmisi minimum (intensitas optik refleksi maksimum) terjadi pada saat suhu
laser diatur sebesar 28,4 oC dengan intensitas IOSA= -20,87, IPWM= -20,21 dBm dan panjang gelombang
λ=1551,55 nm. Panjang gelombang yang terjadi pada saat intensitas optik minimum ini disebut panjang
gelombang Bragg.
Sweeping sinar laser terhadap FBG dilanjutkan dengan menurunkan suhu laser. Hasilnya
menunjukkan bahwa performa intensitas optik transmisi semakin besar. Intensitas optik kembali
ditransmisikan secara maksimum oleh FBG pada suhu 26,3 oC dengan λ=1551,71 nm, IOSA= -8,05 dan
IPWM= -7,92 dBm.
III.3. Uji Performa Panjang Gelombang Bragg Dengan Suhu FBG Dikondisikan
Terhadap Penjalaran Intensitas Optik
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui performa pergeseran panjang gelombang Bragg ketika
terjadi perubahan suhu pada FBG. Pada pengujian ini, suhu FBG diatur pada level suhu 25oC, 28oC
dan 31o0C dengan menggunakan TCM1000T. Untuk tiap-tiap suhu FBG tersebut, FBG di-sweep
menggunakan DFB laser dioda dengan interval suhu laser 0,1oC. Pada pengujian ini juga diteliti
seberapa besar nilai intensitas optik yang direfleksikan oleh FBG dengan memasang circulator optik
diantara laser dan FBG.
Data-data nilai panjang gelombang dan intensitas optik transmisi dan refleksi yang diperoleh dari
pengujian ini dapat dilihat pada Gambar 7.
ISSN 0853 - 0823
Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan
Panjang Gelombang Laser
245
T= 25oC
T= 28oC
T= 31oC
Gambar 7. Grafik performa pergeseran panjang gelombang Bragg dan intensitas optik transmisi
FBG dengan men-sweep sinar laser pada FBG serta suhu FBG dikondisikan pada T= 25oC,
T=28oC dan T=31oC.
Dari grafik di atas dapat dicermati bahwa terjadi pergeseran panjang gelombang Bragg untuk tiap
kondisi suhu yang diberikan pada FBG setelah FBG di-sweep dengan laser. Panjang gelombang Bragg
bergerak dari kiri ke kanan yang berarti nilai panjang gelombang bragg FBG semakin besar dengan
naiknya suhu FBG. Grafik di atas juga menjelaskan bahwa ketika panjang gelombang Bragg terjadi,
nilai intensitas optik transmisi berharga minimum sedangkan nilai intensitas optik refleksi berharga
maksimum. Nilai-nilai panjang gelombang Bragg untuk tiap kondisi suhu FBG dalam pengujian ini
dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Nilai panjang gelombang Bragg untuk kondisi suhu FBG 25oC, 28oC, 31oC.
TFBG (oC)
λB (nm)
IT (dBm)
IR (dBm)
25
1551,48
-17,18
-12,87
28
1551,50
-18,73
-13,54
31
1551,53
-18,47
-13,93
Dengan mencermati data pada Tabel 1, maka dari pengujian ini diperoleh nilai perbandingan
antara perubahan frekuensi gelombang optik FBG dengan perubahan suhu FBG adalah sebesar 666,67
MHz/oC.
Hal ini berarti bahwa perubahan suhu yang dialami oleh FBG tiap 1oC akan mengubah frekuensi
gelombang optik FBG sebesar 666,67 MHz yang merupakan representasi dari perubahan nilai panjang
gelombang Bragg tiap satuan derajad celcius. Nilai perubahan frekuensi optik FBG tiap 10C dalam
satuan MHz menunjukkan bahwa FBG sangat sensitive terhadap perubahan suhu.
Dengan mengetahui performa sensor FBG terhadap suhu ini, dapat dibuat sensor strain tanah
berbasis FBG yang memiliki keandalan untuk mengatasi perubahan-perubahan suhu bumi
ISSN 0853 - 0823
246
Andi Setiono, dkk./ Karakteristik Fiber Brag Grating Terhadap Suhu Menggunakan Teknik Sapuan
Panjang Gelombang Laser
(geothermal), sehingga sensor akan memiliki tingkat keakuratan yang tinggi dalam mendeteksi strain
tanah sekecil mungkin. Pada muaranya nanti dapat dirancang sistem pendeteksian dini terhadap tanah
lonsor.
IV. KESIMPULAN DAN SARAN
Dalam penelitian ini telah ditunjukkan bagaimana teknik sapuan cahaya laser dilakukan, yaitu
dengan cara mengubah suhu cahaya laser. Perubahan suhu laser ini menunjukkan hubungan linier yang
baik dengan perubahan panjang gelombang laser.
Teknik sapuan gelombang laser dapat digunakan untuk menentukan panjang gelombang brag dari
suatu Fiber Bragg Grating (FBG) dan mengkarakterisasinya terhadap suhu. Dengan adanya perubahan
suhu yang terjadi pada FBG maka panjang gelombang bragg akan berubah pula. Dari hasil penelitian
diperoleh perbandingan antara perubahan frekuensi gelombang optik FBG dengan perubahan suhu
FBG sebesar 666,67 MHz/0C. Nilai perubahan frekuensi optik FBG tiap 10C dalam satuan MHz
menunjukkan bahwa FBG sangat sensitif terhadap perubahan suhu.
Untuk penelitian yang berkaitan dengan karakteristik FBG dengan cahaya laser sangat disarankan
untuk menjaga kestabilan arus laser dan bentuk FBG selalu dijaga dalam keadaan lurus.
V. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis ucapkan terima kasih kepada Group Terahertz Photonic yang telah banyak membantu
terlaksananya penelitian ini. Penelitian ini didanai oleh DIPA Pusat Penelitian Fisika LIPI.
VI. DAFTAR PUSTAKA
Kasyap, Raman. 2010. Fiber Bragg Grating. Elsevier Inc. Burlington. pp 53 – 54.
Ando, M. et.al. 2004. Dependence of Fiber Bragg Grating on its Length. Japanese Journal of Applied
Physics Vol. 42, No 7A, pp 4234 – 4235.
Keio Fujita, et.al. 2005. Dynamics Evolution of spectrum of Long-periode Fiber Bragg Grating.
Applied Optics Vol 44, No 33, pp. 7032-7038.
Widiyatmoko, dkk. 2009. Pengembangan Sensor Strain Tanah Berbasis Fiber Bragg Grating untuk
Deteksi Longsor. Prosiding Seminar Nasional Astechnova Vol 1 pp III41-48.
TANYA JAWAB
Gatot Wurdiyanto(PTKMR-BATAN)
? Untuk panjang gelombang yang sama antar Bragg dipantulkan, yang tidak sama ditransmisikan.
Bagaimana dengan panjang gelombang dari Bragg?
? Panjang gelombang dimaksud apakah 1 panjang gelombang atau rentang tertentu ?
Andi Setiono
@ Selama panjang gelombang masih berstatus tidak sama dengan panjang gelombang Bragg maka
akan ditransmisikan
@ Yang dimaksud adalah 1 panjang gelombang
ISSN 0853 - 0823