commit to user
18 Jika
� dituliskan dalam bentuk � = �
′
− �′′ kemudian gelombang EM menjalar sepanjang sb-z maka
=
� −��
2.15
Dengan nilai
k
adalah sebagai berikut � = �� = �
′
− �
′′
� ; � =
2 �
=
−�
′′
� � � −�
′
� �
2.16 Dari persamaan di atas komponen imajiner dari indeksbias
�
′′
menyebabkan atenuasi amplitudo sepanjang penjalarannya.
C. Erbium Doped Fiber Amplifier EDFA
Penguatan optik oleh EDFA didasarkan pada proses emisi terstimulasi yang merupakan prinsip dasar dari operasi laser, seperti pada Gambar 2.5. Secara
umum suatu piranti laser terdiri dari media penguat berkas cahaya
gain medium
, sumber energi pemompa
pumping source
, dan resonator optik
optical resonator
. Media penguat adalah suatu bahan yang mempunyai sifat dapat meningkatkan intensitas cahaya dengan cara emisi terstimulasi. Sedangkan
resonator optic
, secara sederhana terdiri dari susunan cermin yang dipasang berhadapan sehingga berkas cahaya dapat bergerak bolak-balik.Salah satu cermin
bersifat agak transparan, sehingga dapat berfungsi sebagai jalur keluar berkas laser
output coupler
. Berkas cahaya yang melewati media penguat akan mengalami penguatan daya. Jika daerah sekelilingnya merupakan cermin, maka
cahaya akan bergerak bolak-balik dan melewati media penguat berkali-kali.
commit to user
19 Dengan demikian cahaya akan mengalami penguatan daya beberapa kali lipat.
Setelah mengalami penguatan daya, cahaya dapat keluar melewati cermin yang bersifat agak transparan sebagai berkas laser.
Proses memasukkan energi sebagai syarat untuk terjadinya penguatan daya dinamakan dengan
pumping
memompa. Energi yang dipompakan dapat berupa arus listrik atau berkas cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda. Untuk
pompa energi dalam bentuk cahaya, dapat digunakan lampu
flash
atau laser semikonduktor. Selain komponen-komponen utama di atas, suatu perangkat laser
biasanya dilengkapi dengan beberapa komponen pendukung untuk menghasilkan berkas laser yang tajam.
Gambar 2.5 Sistem Kerja Laser
Gambar 2.6 menunjukkan dua tingkat energi, tingkat dasar dengan energi E
1
dan tingkateksitasi dengan energi E
2
. Tingkat-tingkat ini merupakan keadaan energi yang berada paling rendah yang dapat diisi oleh atom atau molekul. Atom
yang memliki tingkat energi berbeda dapat berinteraksi dengan radiasi elektromagnetik melalui tiga cara yang berbeda: serapan
absorption
, pancaran spontan
spontan emission
, dan pancaran terstimulasi
stimulated emission
seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6.
commit to user
20
Gambar 2.6. Interaksi Atom Dengan Radiasi Elektromagnetik Heru Kuswanto, 2011
a. Serapan. Pada kasus serapan, atom yang menempati keadaan energi
yang lebih rendah dapat menyerap radiasi panjang gelombang yang cocok dan bereksitasi ketingkat energi yang lebih tinggi Gambar 2.6.a. Atom
yang menempati energi
1
dapat menyerap radiasi pada frekuensi �
yang diberikan oleh persamaan 2.17 dan mengeksitasinya ke tingkat yang memiliki energi
2
:
� =
2
−
1
2.17
Dengan merupakan konstanta Planck yang memiliki nilai 6,634 × 10
-34
J. s. Karena nilai energi berbagai tingkat tergantung pada atom, maka atom akan menyerap cahaya yang memiliki panjang gelombang tertentu saja,
yang berkaitan dengan pasangan tingkat energi. Misalkan, warna kuning pada spektrum cahaya tampak yang memiliki panjang gelombang 589 nm,
frekuensi yang dimilikinya adalah
� = �
� =
3 x 10
−1
589 x10
−9
≈ 5,094 �10
14
��
commit to user
21 Dengan demikian
2
−
1
= � ≈ 3,39 �10
−19
b. Pancaran spontan. Atom yang menempati tingkat yang lebih atas
dapat memancarkan radiasi elektromagnetik secara spontan dan turun dengan sendirinya ke tingkat yang lebih rendah Gambar 2.6.b. Suatu
fenomena yang dikenal sebagai pancaran spontan, apabila tingkat energinya sama dengan yang dicontohkan di atas, maka frekuensi radiasi
yang dipancarkan juga �
. Pancaran spontan memiliki arah yang sangat acak dan terlihat di segala arah.Cahaya yang berasal dari sumber cahaya,
termasuk matahari, disebabkan terutama oleh pancaran spontan.
c. Pancaran terstimulasi. Berbeda dengan kedua proses sebelumnya,
suatu atom yang menempati tingkat energi yang lebih atas dapat dirangsang untuk memancarkan radiasi pada frekuensi
� oleh
gelombang cahaya datang yang memiliki frekuensi sama melalui suatu proses yang disebut pancaran terstimulasi. Perbedaan utama antara
pancaran spontan dan terstimulasi adalah pada kasus pancaran yang pertama memiliki arah, polarisasi dan yang lain yang sangat acak,
sedangkan pada kasus yang kedua bersifat koheren dengan radiasi yang datang. Hal ini berimplikasi bahwa radiasi yang dipancarkan oleh atom
identik terhadap radiasi yang menstimulus atom, dan dalam proses ini radiasi yang datang diperkuat oleh adanya proses pancaran terstimulasi.
commit to user
22 Perlu diperhatikan bahwa dalam proses pancaran radiasi tidaklah
monokromatik hanya satu frekuensi saja, akan tetapi menyebar dalam rentang frekuensi tertentu. Dengan demikian tingkat energi memiliki lebar tertentu sering
disebut dengan lebar garis
line width
dan atom dapat berinteraksi pada jangkauan frekuensi tersebut.
Konsep emisi terstimulasi pertama kali diajukan oleh Einstein pada 1917 yang selanjutnya membentuk dasar teori laser, yang dapat ditemukan
pemakaiannya pada berbagai bidang. Apabila sistem atom berada dalam kesetimbangan termal, yaitu kesetimbangan dengan lingkungannya, lebih banyak
atom akan ditemukan pada tingkat dasar seperti pada Gambar 2.18. Populasi atom pada E
n
di tentukan oleh statistik Boltzmann sebagai berikut Saleh, 2007 �
�
∝ exp−
�
�, � = 1,2,3, … … .. 2.18
Dimana �
�
adalah peluang populasi elektron
,
�
adalah energi pada tingkat n dan K adalah konstanta Boltzmann sedangkan T adalah suhu.
Gambar 2.8 menampilkan sistem laser tiga tingkat dari Erbium. Cahaya dengan panjang gelombang 980 nm digunakan sebagai
pumping
untuk mengeksitasi ion Erbium dari keadaan dasar
1
ke tingkat energi
3
. Tingkat
3
merupakan tingkat energi yang mempunyai
lifetime
yang berumur pendek. Setelah beberapa sekon, ion dari tingkat
3
ini turun ke tingkat
2
. Umur tingkat
2
lebih lama, sekitar 12 ms.
commit to user
23
Gambar. 2.7 Peluang keberadan elektron Saleh, 2007
Gambar 2.8Sistem Laser TigaTingkat Heru Kuswanto, 2011
Ion yang dibawa ke tingkat
2
tetap berada di sana untuk waktu yang lebih lama, oleh karena itu, dengan pumping yang cukup kuat, populasi ion pada
tingkat
2
dapat dibuat lebih besar dibandingkan pada tingkat
1
sehingga mencapai populasi inversi antara tingkat
1
dan
2
. Pada keadaan yang demikian, apabila suatu berkas cahaya pada panjang gelombang yang bersesuaian
Tingkat Energi Peluang Elektron
commit to user
24 dengan perbedaan energi
2
−
1
menjatuhkan kumpulan ini. Ion akan diperkuat melalui proses pancaran terstimulasi. Untuk ion Erbium, perbedaan
energi
2
−
1
mendekati 1,98 × 10
-19
J yang bersesuaian dengan pita 1550 nm, oleh karena itu merupakan penguat ideal untuk sinyal dalam jendela 1550
nm. Proses tersebut sering dikenal sebagai fluoresen. Gambar 2.9 merupakan diagram skematik suatu sistem EDFA yang terdiri
suatu fiber optik mode tunggal yang didadah dengan erbium. Pemompaan dilakukan dengan laser pemompa panjang gelombang 980 nm melalui
penggabung pembagi panjang gelombang
wavelength division multiplexing
, WDM. Penggabung WDM mengkombinasikan cahaya panjang gelombang 980
nm dan 1550 nm dari dua fiber optik masukan yang berbeda ke dalam fiber optik tunggal. Cahaya pemompa 9801480 nm diserap oleh Erbium untuk
menghasilkan populasi inversi antara tingkat
2
dan
1
. Dengan demikian sinyal yang datang pada daerah panjang gelombang 1550 nm akan diperkuat ketika
sinyal ini menjalar melalui fiber optik yang didadah memiliki populasi inversi. Isolator ditempatkan untuk membentengi setiap pantulan cahaya dari masukan
penguat, yang akan menyebabkan terjadi ketakstabilan dan mulai berosilasi seperti suatu laser.
commit to user
25
Gambar 2.9. Skema Suatu EDFA Yang Terdiri Atas Laser Pemompa 9801550 nm, Heru Kuswanto, 2011
D. Spektroskopi Erbium
