Optimalisasi Pembangkitan Tunable Gelombang Mikro Menggunakan Optical Amplifier pada DFB Laser
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG
MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER
PADA DFB LASER
SKRIPSI
BAMBANG HERDIANSYAH
110801041
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG
MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER
PADA DFB LASER
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar
Sarjana Sains
BAMBANG HERDIANSYAH
110801041
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
i
Universitas Sumatera Utara
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO
MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri. Kecuali beberapa
kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2015
BAMBANG HERDIANSYAH
110801041
ii
Universitas Sumatera Utara
PENGHARGAAN
Alhamdulillah, puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang Maha Pengasih dan
Maha Penyayang karena berkat rahmat dan nikmat-Nya penulis dapat
menyelesaikan penelitian hingga penulisan skripsi ini yang berjudul
“Optimalisasi Pembangkitan Tunable Gelombang Mikro Menggunakan
Optical Amplifier pada DFB Laser”. Shalawat dan salam kita hantarkan kepada
Rasulullah SAW serta kepada Keluarga dan para Sahabatnya.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian skripsi ini melibatkan
berbagai pihak baik itu doa, dukungan, motivasi, bimbingan dan lain sebagainya.
Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis menyampaikan rasa hormat serta
mengucapkan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada :
1.
Bapak Dr. Sutarman, M.Sc selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
2.
Bapak Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng selaku Kepala Pusat
Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Serpong
Tangerang Selatan.
3.
Bapak Dr. Marhaposan Situmorang, selaku Ketua Departemen Fisika
FMIPA-USU dan dosen pembimbing pertama yang turut meluangkan
waktu dalam memberikan bimbingan dan pemahamannya terhadap hasil
penelitian skripsi ini kepada penulis.
4.
Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku Sekretaris Departemen Fisika
FMIPA-USU dan seluruh pegawai di Departemen Fisika yang telah
memberikan bantuan dari segi kelancaran urusan administrasi kepada
penulis.
5.
Bapak Wildan Panji Tresna, S.Si. M.T dari Pusat Penelitian Fisika-LIPI
selaku dosen pembimbing kedua yang telah berkontribusi dalam
pemeriksaan isi, analisa data dan juga turut menuangkan pikirannya
kepada penulis terkait pembahasan penelitian skripsi ini.
6.
Bapak Iyon Titok Sugiarto, S.Si. M.T dan Nursidik Yulianto, S.Si serta
Andi Setiono, S.Si dari Pusat Penelitian Fisika-LIPI yang telah
memberikan arahan dan bimbingan sehingga penulis mampu mendalami
bidang optoelektronika dan laser.
7.
Ayahanda Turino Junaedi dan Ibunda Milawati, terima kasih telah
memberikan kasih sayang dan selalu mengingatkan dan memberi semangat
kepada penulis mulai dari awal perkuliahan sampai pada bantuan berupa
materi sehingga penulis mampu menyelesaikan penulisan skripsi ini. Dan
iii
Universitas Sumatera Utara
juga rasa terima kasih teruntuk kepada Tanty Yuliah A.md yang
senantiasa memberi dukungan, doa, dan pikiran positif kepada penulis.
8.
Sahabat di Departemen Fisika angkatan 2011 : Adimas Agung, Fauzi
Handoko, Khairuddin, Tirto Adhiatma Syahid, Zikri Noer dan seluruh
sahabat yang tidak dapat penulis disebutkan satu per satu. Terima kasih
atas saran dan dukungannya.
Penulis sangat berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan
memberikan sumbangsih untuk kemajuan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
(IPTEK) di Indonesia. Kritik dan saran selalu terbuka untuk perbaikan penulisan
skripsi ini di masa mendatang.
Medan, Juli 2015
Penulis
iv
Universitas Sumatera Utara
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO
MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER
ABSTRAK
Frekuensi yang berada pada rentang gelombang mikro dapat dimanfaatkan untuk
berbagai keperluan komponen RADAR seperti ground penetrating, sistem radio
on fiber dan lain sebagainya sehingga tunabilitas dan power sebuah sumber
frekuensi adalah hal yang sangat penting. Gelombang mikro dengan frekuensi
yang dapat ditala (tunable) telah dibangkitkan yang memanfaatkan beat signal
(pelayangan) hasil mixing dua laser dioda jenis DFB (Distributed Feedback)
dengan menggunakan teknik optical heterodyne. Dari hasil pengamatan dapat
dikatakan bahwa dengan mengubah temperatur salah satu laser maka sinyal
gelombang mikro yang terbangkit dapat ditala. Laser DFB 2 diatur agar arus dan
temperaturnya konstan, sedangkan laser DFB 1 ditala temperaturnya sehingga
panjang gelombangnya mendekati panjang gelombang laser DFB 2. Frekuensi
gelombang mikro maksimal yang mampu terdeteksi adalah sebesar 8,432 GHz
karena keterbatasan range pembacaan RF Spectrum Analyzer . Dari hasil penelitian
ini diperoleh rata-rata perubahan frekuensi gelombang mikro sebesar 791 MHz
untuk setiap perubahan 1 ℃. Karakterisasi daya optis dan panjang gelombang
laser terhadap parameter yang berpengaruh yaitu temperatur dan arus injeksi laser
telah dilakukan sebagai pengujian awal. Frekuensi gelombang mikro
terbangkitkan dapat dioptimalisasi dengan menggunakan optical amplifier yang
mampu menguatkan daya optis sinyal masukan dari laser dioda. Semakin besar
arus maka daya optis laser juga semakin meningkat. Nilai minimum daya optis
yang dihasilkan sebesar 0,06 mW pada arus 10,8 mA dengan nilai SNR (Signal to
Noise Ratio) 45,51 dB dan nilai maksimum 0,9 mW pada arus 20 mA dengan nilai
SNR 56,55 dB. Sedangkan dengan penambahan optical amplifier , daya optis laser
meningkat secara signifikan dengan nilai minimum sebesar 13,5 mW pada arus
10,8 mA dengan SNR 38,9 dB dan maksimum 16,8 mW pada arus 20 mA dengan
nilai SNR 51,59 dB. Nilai SNR yang lebih besar adalah yang lebih baik, hasil ini
menunjukkan bahwa SNR akan selalu terdegradasi sebagai sinyal setelah
melewati komponen microwave, artinya penguatan ini juga meningkatkan noise.
Kata kunci : laser DFB, gelombang mikro, teknik heterodyne optik, optical
amplifier .
v
Universitas Sumatera Utara
OPTIMALIZATION OF TUNABLE MICROWAVE GENERATOR BY USING
OPTICAL AMPLIFIER OF DFB LASER
ABSTRACT
Frequency in the range of microwaves can be used for various purposes RADAR
components such as ground penetrating, radio on fiber systems etc. so that
tunability and power frequency source is a very important thing. Tunable
microwaves frequency has been able to be generated by utilizing beat signal of
mixing of two DFB (distributed feedback) laser diode with optical heterodyne
technique. The observation result showed that tunneling one of the laser
temperature cause generated microwaves signal able to be tuned. DFB 2 laser set
in fix current and temperature, whereas temperature of DFB 1 laser is tuned until
its wavelength close to DFB 2 laser wavelength. Maximum frequency of
microwaves detected is 8,432 GHz due to limitations range of reading RF
Spectrum Analyzer. As the result, the rate of the average change of microwaves
frequency is 791 MHz for each temperature change of 1 ℃. Characterisation of
optical power and laser wavelength versus its influent parameters i.e. temperature
and laser injection current has been done as initial testing. Generated
microwaves frequency able to be optimized by optical amplifier which has ability
to gain input signal of optical power from laser diode. The more current produce
more optical power laser. Minimum value of the optical power is 0,06 mW of 10,8
mA current and Signal to Noise Ratio (SNR) value 45,51 dB and maximum value
is 0,9 mW of 20 mA current and SNR value 56,55 dB. Whereas by addition of
optical amplifier, the power of optical laser increase significantly with minimum
value 13,5 mW of 10,8 mA current and SNR value 51,59 dB. The larger the SNR
value is the better, this result means showed that the SNR will always be degraded
as the signal passes through any microwave component, it is mean that this gain
is amplify the noise too.
Keywords: DFB laser, microwave, optical heterodyne technique, optical ampifier.
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
i
ii
iii
v
vi
vii
ix
x
xii
xiv
Lembar Pengesahan
Pernyataan
Penghargaan
Abstrak
Abstract
Daftar Isi
Daftar Tabel
Daftar Gambar
Daftar Singkatan
Daftar Lampiran
BAB 1
BAB 2
Pendahuluan
1.1. Latar Belakang
1.2. Perumusan Masalah
1.3. Pembatasan Masalah
1.4. Tujuan Penelitian
1.5. Manfaat Penelitian
1.6. Lokasi Penelitian
1
2
2
3
3
3
Tinjauan Pustaka
2.1. Gelombang Elektromagnetik
2.2. Frekuensi Gelombang Mikro
2.3. Superposisi Dua Gelombang, Beats
2.4. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation)
2.4.1. Definisi Umum Laser
2.4.2. Generasi dan Rekombinasi pada Kesetimbangan
Thermal
2.5. Laser Semikonduktor (Laser Dioda)
2.5.1. Panjang Gelombang Bandgap
2.5.2. DFB (Distributed Feedback) Laser Dioda
2.6. Teknik Heterodyne Optik
2.7. Serat Optik
2.7.1. Propagasi Cahaya pada Serat Optik (Numerical
Aperture)
2.7.2. Pembagian Serat Optik
2.7.2.1. Berdasarkan mode yang dirambatkan
2.7.2.2. Berdasarkan indeks bias core
2.8. Pembawa Sifat Cahaya (Fiber Coupler )
2.9. Amplifikasi Optik (EDFA)
2.10. Fotodetektor
4
5
6
8
8
11
11
12
13
14
14
16
17
17
18
19
20
21
vii
Universitas Sumatera Utara
BAB 3
BAB 4
BAB 5
Metodologi Penelitian
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian
3.2. Peralatan Penelitian
3.2.1. Laser Dioda (Distributed Feedback)
3.2.2. ITC 102 (OEM Laser Diode & Temperature
Controllers)
3.2.3. Optical Spectrum Analyzer (OSA)
3.2.4. Optical Amplifier (EDFA)
3.2.5. Single Mode Fiber Coupler (SMFC)
3.2.6. Single Mode Fiber (SMF)
3.2.7. High Speed Photodetector (HSPD)
3.2.8. Radio Frequency Spectrum Analyzer (RFSA)
3.3. Tahapan Penelitian
3.4. Perancangan Diagram Blok Sistem
3.5. Pengujian Stabilisasi Laser
Hasil dan Pembahasan
4.1. Pengujian Kestabilan Laser
4.1.1. Hasil Karakterisasi Perubahan Arus Injeksi
terhadap Daya Optis (Intensitas) Laser
4.1.2. Hasil Karakterisasi Perubahan Panjang
Gelombang Laser terhadap Temperatur
4.2. Hasil Karakterisasi Perubahan Daya Optis terhadap
Arus Injeksi Sebelum dan Sesudah Menggunakan
Optical Amplifier
4.3. Pengaruh Optical Amplifier terhadap Penguatan (Gain)
sebagai Fungsi dari Daya Sinyal Keluaran
4.4. Pengaruh SNR (Signal to Noise Ratio) terhadap Arus
Injeksi Sebelum dan Sesudah Menggunakan Optical
Amplifier
4.5. Analisa Spektrum Optik dan Radio Frequency
4.6. Hasil Frekuensi Pelayangan (Beat Signal)
Kesimpulan dan Saran
5.1. Kesimpulan
5.2. Saran
23
23
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
37
37
39
41
42
43
44
46
48
49
Daftar Pustaka
50
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel
2.1
2.2
Judul
Halaman
Frekuensi Band Gelombang Mikro
Analisa regresi linier panjang gelombang terhadap
temperatur untuk setiap arus yang berbeda
5
40
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Gambar
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
Judul
Halaman
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Beats Frequency (terbentuk clumps)
Beats yang disebabkan oleh superposisi dari dua
gelombang dengan frekuensi yang berbeda
Mekanisme rekombinasi yang berbeda dalam sistem dua
level energi
(a) Generasi dan rekombinasi elektron-lubang, (b)
Rekombinasi elektron-lubang melalui trap
(a) Dioda semikonduktor tanpa tegangan bias, (b) Dioda
semikonduktor dengan tegangan bias maju
DFB laser memiliki lapisan periodik yang bertindak
sebagai pemantul terdistribusi
Heterodyne optis dua gelombang optik
Struktur dasar serat optik
Proses masuknya cahaya ke dalam serat optik
Serat optik single mode (monomode)
Serat optik grade index multimode
Serat optik step index multimode
Optical coupler
Konfigurasi EDFA
Laser dioda DFB
OEM Laser diode & temperature controllers
Optical spectrum analyzer (OSA)
Diagram blok optical amplifier
Optical amplifier (EDFA)
Dual window wideband coupler (2×1)
Kabel serat optik single mode
Diagram blok HSPD dan amplifier
High speed photodetector
Radio frequency spectrum analyzer (RFSA)
Diagram alir penelitian
Diagram blok sistem
Karakterisasi daya optis dan panjang gelombang laser
terhadap arus dan temperatur tanpa menggunakan optical
amplifier
Karakterisasi daya optis laser terhadap arus dan
temperatur dengan menggunakan optical amplifier
Diagram blok karakterisasi panjang gelombang dan daya
optis laser sebelum dan sesudah menggunakan optical
amplifier
4
7
8
10
11
12
13
14
15
16
17
18
18
19
20
24
24
25
26
27
27
28
29
29
30
31
32
34
34
35
x
Universitas Sumatera Utara
3.16
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
Diagram sistem pembangkitan gelombang mikro sebelum
dan sesudah menggunakan optical amplifier
Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi
Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi untuk
setiap temperatur yang berbeda
Grafik hubungan perubahan panjang gelombang laser
dioda terhadap perubahan temperatur
Grafik hubungan perubahan panjang gelombang terhadap
perubahan temperatur untuk setiap arus yang berbeda
Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi sebelum
dan sesudah menggunakan optical amplifier
Grafik hubungan gain terhadap daya sinyal keluaran laser
Grafik hubungan SNR terhadap arus injeksi sebelum dan
sesudah menggunakan optical amplifier
Spektrum pencampuran dua laser DFB pada OSA
Spektrum frekuensi gelombang mikro yang terbangkit
pada RFSA
Grafik hubungan frekuensi gelombang mikro terhadap
temperatur
36
37
38
39
40
42
43
44
45
45
46
xi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SINGKATAN
A
cm
Cos
CW
dB
dBm
DFB
EDFA
FC/PC
Gb/s
GHz
HSPD
IPTEK
kHz
LASER
LED
LIPI
Log
m
mA
MHz
Mm
m/s
mW
NA
Nm
OA
OSA
PD
PM
P2F
RADAR
RF
RFSA
SMF
SMFC
SNR
= Ampere
= centimeter
= cosinus
= Continuous Wave
= Decibel
= Decibel meter
= Distributed Feedback
= Erbium Doped Fiber Amplifier
= Fiber Connector/Physical Contact
= Gigabit/sekon
= Giga Hertz
= High Speed Photo Detector
= Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
= kilo Hertz
= Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
= Light Emitting Diode
= Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia
= logarithmic
= meter
= miliampere
= Mega Hertz
= milimeter
= meter/sekon
= miliwatt
= Numerical Aperture
= Nanometer
= Optical amplifier
= Optical Spectrum Analyzer
= Photodiode
= Polarization Maintaining
= Pusat Penelitian Fisika
= Radio Detection and Ranging
= Radio Frequency
= Radio Frequency Spectrum Analyzer
= Single Mode Fiber
= Single Mode Fiber Coupler
= Signal to Noise Ratio
xii
Universitas Sumatera Utara
TEC
THz
V
W
A
m
W
= Thermo Electric Cooler
= Tera Hertz
= Volt
= Watt
= Mikroampere
= Mikrometer
= Mikrowatt
xiii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Judul
Lampiran
1
Tabel data karakterisasi perubahan daya optis laser
terhadap arus injeksi pada temperatur T = 47,3 ℃
2
Tabel data karakterisasi perubahan daya optis laser
terhadap arus injeksi untuk setiap temperatur yang
berbeda
3
Tabel data perubahan panjang gelombang laser terhadap
temperatur pada arus injeksi I = 12 mA
4
Tabel data perubahan panjang gelombang laser terhadap
temperatur untuk setiap arus injeksi yang berbeda
5
Tabel data karakterisasi optical amplifier
6
Tabel data SNR terhadap arus injeksi sebelum dan
sesudah menggunakan optical amplifier
7
Tabel data frekuensi gelombang mikro terbangkitkan
terhadap temperatur sebelum dan sesudah menggunakan
optical amplifier
8
Tabel data hubungan gain terhadap daya sinyal keluaran
laser menggunakan Optical Amplifier
9
Gambar spektrum frekuensi gelombang mikro yang
terbangkit pada RFSA
10
Gambar alat secara keseluruhan saat proses pengujian
Halaman
52
53
54
55
55
56
57
57
59
64
xiv
Universitas Sumatera Utara
MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER
PADA DFB LASER
SKRIPSI
BAMBANG HERDIANSYAH
110801041
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG
MIKRO MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER
PADA DFB LASER
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar
Sarjana Sains
BAMBANG HERDIANSYAH
110801041
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2015
Universitas Sumatera Utara
i
Universitas Sumatera Utara
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO
MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri. Kecuali beberapa
kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2015
BAMBANG HERDIANSYAH
110801041
ii
Universitas Sumatera Utara
PENGHARGAAN
Alhamdulillah, puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang Maha Pengasih dan
Maha Penyayang karena berkat rahmat dan nikmat-Nya penulis dapat
menyelesaikan penelitian hingga penulisan skripsi ini yang berjudul
“Optimalisasi Pembangkitan Tunable Gelombang Mikro Menggunakan
Optical Amplifier pada DFB Laser”. Shalawat dan salam kita hantarkan kepada
Rasulullah SAW serta kepada Keluarga dan para Sahabatnya.
Penulis menyadari bahwa dalam penyelesaian skripsi ini melibatkan
berbagai pihak baik itu doa, dukungan, motivasi, bimbingan dan lain sebagainya.
Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis menyampaikan rasa hormat serta
mengucapkan terima kasih dan penghargaan sebesar-besarnya kepada :
1.
Bapak Dr. Sutarman, M.Sc selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
2.
Bapak Dr. Bambang Widiyatmoko, M.Eng selaku Kepala Pusat
Penelitian Fisika Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Serpong
Tangerang Selatan.
3.
Bapak Dr. Marhaposan Situmorang, selaku Ketua Departemen Fisika
FMIPA-USU dan dosen pembimbing pertama yang turut meluangkan
waktu dalam memberikan bimbingan dan pemahamannya terhadap hasil
penelitian skripsi ini kepada penulis.
4.
Bapak Drs. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku Sekretaris Departemen Fisika
FMIPA-USU dan seluruh pegawai di Departemen Fisika yang telah
memberikan bantuan dari segi kelancaran urusan administrasi kepada
penulis.
5.
Bapak Wildan Panji Tresna, S.Si. M.T dari Pusat Penelitian Fisika-LIPI
selaku dosen pembimbing kedua yang telah berkontribusi dalam
pemeriksaan isi, analisa data dan juga turut menuangkan pikirannya
kepada penulis terkait pembahasan penelitian skripsi ini.
6.
Bapak Iyon Titok Sugiarto, S.Si. M.T dan Nursidik Yulianto, S.Si serta
Andi Setiono, S.Si dari Pusat Penelitian Fisika-LIPI yang telah
memberikan arahan dan bimbingan sehingga penulis mampu mendalami
bidang optoelektronika dan laser.
7.
Ayahanda Turino Junaedi dan Ibunda Milawati, terima kasih telah
memberikan kasih sayang dan selalu mengingatkan dan memberi semangat
kepada penulis mulai dari awal perkuliahan sampai pada bantuan berupa
materi sehingga penulis mampu menyelesaikan penulisan skripsi ini. Dan
iii
Universitas Sumatera Utara
juga rasa terima kasih teruntuk kepada Tanty Yuliah A.md yang
senantiasa memberi dukungan, doa, dan pikiran positif kepada penulis.
8.
Sahabat di Departemen Fisika angkatan 2011 : Adimas Agung, Fauzi
Handoko, Khairuddin, Tirto Adhiatma Syahid, Zikri Noer dan seluruh
sahabat yang tidak dapat penulis disebutkan satu per satu. Terima kasih
atas saran dan dukungannya.
Penulis sangat berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan
memberikan sumbangsih untuk kemajuan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
(IPTEK) di Indonesia. Kritik dan saran selalu terbuka untuk perbaikan penulisan
skripsi ini di masa mendatang.
Medan, Juli 2015
Penulis
iv
Universitas Sumatera Utara
OPTIMALISASI PEMBANGKITAN TUNABLE GELOMBANG MIKRO
MENGGUNAKAN OPTICAL AMPLIFIER PADA DFB LASER
ABSTRAK
Frekuensi yang berada pada rentang gelombang mikro dapat dimanfaatkan untuk
berbagai keperluan komponen RADAR seperti ground penetrating, sistem radio
on fiber dan lain sebagainya sehingga tunabilitas dan power sebuah sumber
frekuensi adalah hal yang sangat penting. Gelombang mikro dengan frekuensi
yang dapat ditala (tunable) telah dibangkitkan yang memanfaatkan beat signal
(pelayangan) hasil mixing dua laser dioda jenis DFB (Distributed Feedback)
dengan menggunakan teknik optical heterodyne. Dari hasil pengamatan dapat
dikatakan bahwa dengan mengubah temperatur salah satu laser maka sinyal
gelombang mikro yang terbangkit dapat ditala. Laser DFB 2 diatur agar arus dan
temperaturnya konstan, sedangkan laser DFB 1 ditala temperaturnya sehingga
panjang gelombangnya mendekati panjang gelombang laser DFB 2. Frekuensi
gelombang mikro maksimal yang mampu terdeteksi adalah sebesar 8,432 GHz
karena keterbatasan range pembacaan RF Spectrum Analyzer . Dari hasil penelitian
ini diperoleh rata-rata perubahan frekuensi gelombang mikro sebesar 791 MHz
untuk setiap perubahan 1 ℃. Karakterisasi daya optis dan panjang gelombang
laser terhadap parameter yang berpengaruh yaitu temperatur dan arus injeksi laser
telah dilakukan sebagai pengujian awal. Frekuensi gelombang mikro
terbangkitkan dapat dioptimalisasi dengan menggunakan optical amplifier yang
mampu menguatkan daya optis sinyal masukan dari laser dioda. Semakin besar
arus maka daya optis laser juga semakin meningkat. Nilai minimum daya optis
yang dihasilkan sebesar 0,06 mW pada arus 10,8 mA dengan nilai SNR (Signal to
Noise Ratio) 45,51 dB dan nilai maksimum 0,9 mW pada arus 20 mA dengan nilai
SNR 56,55 dB. Sedangkan dengan penambahan optical amplifier , daya optis laser
meningkat secara signifikan dengan nilai minimum sebesar 13,5 mW pada arus
10,8 mA dengan SNR 38,9 dB dan maksimum 16,8 mW pada arus 20 mA dengan
nilai SNR 51,59 dB. Nilai SNR yang lebih besar adalah yang lebih baik, hasil ini
menunjukkan bahwa SNR akan selalu terdegradasi sebagai sinyal setelah
melewati komponen microwave, artinya penguatan ini juga meningkatkan noise.
Kata kunci : laser DFB, gelombang mikro, teknik heterodyne optik, optical
amplifier .
v
Universitas Sumatera Utara
OPTIMALIZATION OF TUNABLE MICROWAVE GENERATOR BY USING
OPTICAL AMPLIFIER OF DFB LASER
ABSTRACT
Frequency in the range of microwaves can be used for various purposes RADAR
components such as ground penetrating, radio on fiber systems etc. so that
tunability and power frequency source is a very important thing. Tunable
microwaves frequency has been able to be generated by utilizing beat signal of
mixing of two DFB (distributed feedback) laser diode with optical heterodyne
technique. The observation result showed that tunneling one of the laser
temperature cause generated microwaves signal able to be tuned. DFB 2 laser set
in fix current and temperature, whereas temperature of DFB 1 laser is tuned until
its wavelength close to DFB 2 laser wavelength. Maximum frequency of
microwaves detected is 8,432 GHz due to limitations range of reading RF
Spectrum Analyzer. As the result, the rate of the average change of microwaves
frequency is 791 MHz for each temperature change of 1 ℃. Characterisation of
optical power and laser wavelength versus its influent parameters i.e. temperature
and laser injection current has been done as initial testing. Generated
microwaves frequency able to be optimized by optical amplifier which has ability
to gain input signal of optical power from laser diode. The more current produce
more optical power laser. Minimum value of the optical power is 0,06 mW of 10,8
mA current and Signal to Noise Ratio (SNR) value 45,51 dB and maximum value
is 0,9 mW of 20 mA current and SNR value 56,55 dB. Whereas by addition of
optical amplifier, the power of optical laser increase significantly with minimum
value 13,5 mW of 10,8 mA current and SNR value 51,59 dB. The larger the SNR
value is the better, this result means showed that the SNR will always be degraded
as the signal passes through any microwave component, it is mean that this gain
is amplify the noise too.
Keywords: DFB laser, microwave, optical heterodyne technique, optical ampifier.
vi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
i
ii
iii
v
vi
vii
ix
x
xii
xiv
Lembar Pengesahan
Pernyataan
Penghargaan
Abstrak
Abstract
Daftar Isi
Daftar Tabel
Daftar Gambar
Daftar Singkatan
Daftar Lampiran
BAB 1
BAB 2
Pendahuluan
1.1. Latar Belakang
1.2. Perumusan Masalah
1.3. Pembatasan Masalah
1.4. Tujuan Penelitian
1.5. Manfaat Penelitian
1.6. Lokasi Penelitian
1
2
2
3
3
3
Tinjauan Pustaka
2.1. Gelombang Elektromagnetik
2.2. Frekuensi Gelombang Mikro
2.3. Superposisi Dua Gelombang, Beats
2.4. LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation)
2.4.1. Definisi Umum Laser
2.4.2. Generasi dan Rekombinasi pada Kesetimbangan
Thermal
2.5. Laser Semikonduktor (Laser Dioda)
2.5.1. Panjang Gelombang Bandgap
2.5.2. DFB (Distributed Feedback) Laser Dioda
2.6. Teknik Heterodyne Optik
2.7. Serat Optik
2.7.1. Propagasi Cahaya pada Serat Optik (Numerical
Aperture)
2.7.2. Pembagian Serat Optik
2.7.2.1. Berdasarkan mode yang dirambatkan
2.7.2.2. Berdasarkan indeks bias core
2.8. Pembawa Sifat Cahaya (Fiber Coupler )
2.9. Amplifikasi Optik (EDFA)
2.10. Fotodetektor
4
5
6
8
8
11
11
12
13
14
14
16
17
17
18
19
20
21
vii
Universitas Sumatera Utara
BAB 3
BAB 4
BAB 5
Metodologi Penelitian
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian
3.2. Peralatan Penelitian
3.2.1. Laser Dioda (Distributed Feedback)
3.2.2. ITC 102 (OEM Laser Diode & Temperature
Controllers)
3.2.3. Optical Spectrum Analyzer (OSA)
3.2.4. Optical Amplifier (EDFA)
3.2.5. Single Mode Fiber Coupler (SMFC)
3.2.6. Single Mode Fiber (SMF)
3.2.7. High Speed Photodetector (HSPD)
3.2.8. Radio Frequency Spectrum Analyzer (RFSA)
3.3. Tahapan Penelitian
3.4. Perancangan Diagram Blok Sistem
3.5. Pengujian Stabilisasi Laser
Hasil dan Pembahasan
4.1. Pengujian Kestabilan Laser
4.1.1. Hasil Karakterisasi Perubahan Arus Injeksi
terhadap Daya Optis (Intensitas) Laser
4.1.2. Hasil Karakterisasi Perubahan Panjang
Gelombang Laser terhadap Temperatur
4.2. Hasil Karakterisasi Perubahan Daya Optis terhadap
Arus Injeksi Sebelum dan Sesudah Menggunakan
Optical Amplifier
4.3. Pengaruh Optical Amplifier terhadap Penguatan (Gain)
sebagai Fungsi dari Daya Sinyal Keluaran
4.4. Pengaruh SNR (Signal to Noise Ratio) terhadap Arus
Injeksi Sebelum dan Sesudah Menggunakan Optical
Amplifier
4.5. Analisa Spektrum Optik dan Radio Frequency
4.6. Hasil Frekuensi Pelayangan (Beat Signal)
Kesimpulan dan Saran
5.1. Kesimpulan
5.2. Saran
23
23
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
37
37
39
41
42
43
44
46
48
49
Daftar Pustaka
50
viii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel
2.1
2.2
Judul
Halaman
Frekuensi Band Gelombang Mikro
Analisa regresi linier panjang gelombang terhadap
temperatur untuk setiap arus yang berbeda
5
40
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Gambar
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
Judul
Halaman
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Beats Frequency (terbentuk clumps)
Beats yang disebabkan oleh superposisi dari dua
gelombang dengan frekuensi yang berbeda
Mekanisme rekombinasi yang berbeda dalam sistem dua
level energi
(a) Generasi dan rekombinasi elektron-lubang, (b)
Rekombinasi elektron-lubang melalui trap
(a) Dioda semikonduktor tanpa tegangan bias, (b) Dioda
semikonduktor dengan tegangan bias maju
DFB laser memiliki lapisan periodik yang bertindak
sebagai pemantul terdistribusi
Heterodyne optis dua gelombang optik
Struktur dasar serat optik
Proses masuknya cahaya ke dalam serat optik
Serat optik single mode (monomode)
Serat optik grade index multimode
Serat optik step index multimode
Optical coupler
Konfigurasi EDFA
Laser dioda DFB
OEM Laser diode & temperature controllers
Optical spectrum analyzer (OSA)
Diagram blok optical amplifier
Optical amplifier (EDFA)
Dual window wideband coupler (2×1)
Kabel serat optik single mode
Diagram blok HSPD dan amplifier
High speed photodetector
Radio frequency spectrum analyzer (RFSA)
Diagram alir penelitian
Diagram blok sistem
Karakterisasi daya optis dan panjang gelombang laser
terhadap arus dan temperatur tanpa menggunakan optical
amplifier
Karakterisasi daya optis laser terhadap arus dan
temperatur dengan menggunakan optical amplifier
Diagram blok karakterisasi panjang gelombang dan daya
optis laser sebelum dan sesudah menggunakan optical
amplifier
4
7
8
10
11
12
13
14
15
16
17
18
18
19
20
24
24
25
26
27
27
28
29
29
30
31
32
34
34
35
x
Universitas Sumatera Utara
3.16
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
Diagram sistem pembangkitan gelombang mikro sebelum
dan sesudah menggunakan optical amplifier
Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi
Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi untuk
setiap temperatur yang berbeda
Grafik hubungan perubahan panjang gelombang laser
dioda terhadap perubahan temperatur
Grafik hubungan perubahan panjang gelombang terhadap
perubahan temperatur untuk setiap arus yang berbeda
Grafik hubungan daya optis terhadap arus injeksi sebelum
dan sesudah menggunakan optical amplifier
Grafik hubungan gain terhadap daya sinyal keluaran laser
Grafik hubungan SNR terhadap arus injeksi sebelum dan
sesudah menggunakan optical amplifier
Spektrum pencampuran dua laser DFB pada OSA
Spektrum frekuensi gelombang mikro yang terbangkit
pada RFSA
Grafik hubungan frekuensi gelombang mikro terhadap
temperatur
36
37
38
39
40
42
43
44
45
45
46
xi
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SINGKATAN
A
cm
Cos
CW
dB
dBm
DFB
EDFA
FC/PC
Gb/s
GHz
HSPD
IPTEK
kHz
LASER
LED
LIPI
Log
m
mA
MHz
Mm
m/s
mW
NA
Nm
OA
OSA
PD
PM
P2F
RADAR
RF
RFSA
SMF
SMFC
SNR
= Ampere
= centimeter
= cosinus
= Continuous Wave
= Decibel
= Decibel meter
= Distributed Feedback
= Erbium Doped Fiber Amplifier
= Fiber Connector/Physical Contact
= Gigabit/sekon
= Giga Hertz
= High Speed Photo Detector
= Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
= kilo Hertz
= Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
= Light Emitting Diode
= Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia
= logarithmic
= meter
= miliampere
= Mega Hertz
= milimeter
= meter/sekon
= miliwatt
= Numerical Aperture
= Nanometer
= Optical amplifier
= Optical Spectrum Analyzer
= Photodiode
= Polarization Maintaining
= Pusat Penelitian Fisika
= Radio Detection and Ranging
= Radio Frequency
= Radio Frequency Spectrum Analyzer
= Single Mode Fiber
= Single Mode Fiber Coupler
= Signal to Noise Ratio
xii
Universitas Sumatera Utara
TEC
THz
V
W
A
m
W
= Thermo Electric Cooler
= Tera Hertz
= Volt
= Watt
= Mikroampere
= Mikrometer
= Mikrowatt
xiii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Judul
Lampiran
1
Tabel data karakterisasi perubahan daya optis laser
terhadap arus injeksi pada temperatur T = 47,3 ℃
2
Tabel data karakterisasi perubahan daya optis laser
terhadap arus injeksi untuk setiap temperatur yang
berbeda
3
Tabel data perubahan panjang gelombang laser terhadap
temperatur pada arus injeksi I = 12 mA
4
Tabel data perubahan panjang gelombang laser terhadap
temperatur untuk setiap arus injeksi yang berbeda
5
Tabel data karakterisasi optical amplifier
6
Tabel data SNR terhadap arus injeksi sebelum dan
sesudah menggunakan optical amplifier
7
Tabel data frekuensi gelombang mikro terbangkitkan
terhadap temperatur sebelum dan sesudah menggunakan
optical amplifier
8
Tabel data hubungan gain terhadap daya sinyal keluaran
laser menggunakan Optical Amplifier
9
Gambar spektrum frekuensi gelombang mikro yang
terbangkit pada RFSA
10
Gambar alat secara keseluruhan saat proses pengujian
Halaman
52
53
54
55
55
56
57
57
59
64
xiv
Universitas Sumatera Utara