Fabrikasi dan Karakterisasi Pandu Gelombang Berbentuk Planar pada Kaca Soda-lime dengan Metode Pertukaran Ion - UNS Institutional Repository

  

FABRIKASI DAN KARAKTERISASI PANDU GELOMBANG BERBENTUK

PLANAR PADA KACA SODA-LIME DENGAN METODE PERTUKARAN ION

TESIS

  

Disusun untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Magister

Program Studi Ilmu Fisika

Oleh

MUCHLAS YULIANTO

  

S911508008

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2017

  

PERNYATAAN KEASLIAN DAN PERSYARATAN PUBLIKASI

  Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa: 1.

  Tesis yang berjudul: “FABRIKASI DAN KARAKTERISASI PANDU

  GELOMBANG BERBENTUK PLANAR PADA KACA SODA-LIME DENGAN METODE PERTUKARAN ION DAN PRISMA KOPLNG ini

  ”

  adalah karya penelitian saya sendiri dan tidak terdapat karya ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik serta tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang tertulis dengan acuan yang disebutkan sumbernya, baik dalam naskah karangan dan daftar pustaka. Apabila ternyata di dalam naskah tesis ini dapat dibuktikan terdapat unsur-unsur plagiasi, maka saya bersedia menerima sangsi, baik Tesis beserta gelar magister saya dibatalkan serta diproses sesuai dengan peraturan perundang-undangan yang berlaku.

  Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.

  Surakarta, Mahasiswa Muchlas Yulianto (S911508008)

  

MOTTO

Wama indallahi khoir

  (Apa yang disisi Allah SWT lebih baik)

  

PERSEMBAHAN

Dengan segenap penuh rasa syukur kepada Allah SWT kupersembahkan karya indah ini

kepada:

  

Orang yang menyakini bahwa ilmu pengetahuan bisa mengubah segalanya

Bapak Suyamto, Ibu Jumirah, Adik Ramdhan Nurcholis

dan

Untuk Bangsaku Indonesia Puji syukur kehadirat ALLAH SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah, inayah dan segala kenikmatan luar biasa banyaknya. Sholawat serta salam semoga selalu tercurahkan kepada Nabi kita Muhammad SAW, keluarganya, para sahabatnya dan umatnya yang selalu istiqomah dijalan kebenaran.

  Tesis yang penulis susun sebagai bagian dari syarat untuk mendapatkan gelar sarjana sains ini penulis beri judul “Fabrikasi dan Karakterisasi Pandu Gelombang

  

Berbentuk Planar Pada Kaca Soda-lime dengan Metode Pertukaran Ion dan Prisma

Kopling

  ”. Terselesaikannya Tesis ini adalah suatu kebanggaan tersendiri bagi saya. Setelah sekitar lebih dari satu semester penulis harus berjuang untuk bisa menyelesaikan Tesis. Dengan segala suka dan dukanya, pada akhirnya Tesis ini terselesaikan juga.

  Kepada berbagai pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Tesis ini penulis ucapkan terima kasih. Atas bantuannya yang sangat besar selama proses pengerjaan Tesis ini, ucapan terima kasih secara khusus penulis sampaikan kepada:

• Bapak Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. selaku pembimbing satu yang banyak mencurahkan waktu, tenaga dan pikiran beliau dalam menyelesaikan karya indah ini.
• Ibu Venty Suryanti, S.Si., M.Phil., Ph.D. selaku pembimbing dua yang banyak mendukung dalam menyelesaikan karya indah ini.
• Keluarga tercinta Bapak Suyamto, Ibu Jumirah, dan Mas Ramdhan Nurcholis, atas semua kasih sayang dan perhatian yang luar biasa kepada penulis.
• Bapak dan Ibu dosen serta Staff di Jurusan Ilmu Fisika PPS UNS yang telah banyak memberikan ilmu tidak ternilai besarnya bagi penulis.
• Hibah penelitian dan pengabdian kepada Masyarakat Dana PNBP Universitas Sebelas Maret Surakarta tahun 2015 no: 632/UN27.21/LT/2016 yang telah mendanai penelitian ini.
• Sahabat-sahabat di Laboratorium Optics & Photonics yang banyak memberikan bantuan dan inspirasi bagi penulis.

  

FABRIKASI DAN KARAKTERISASI PANDU GELOMBANG BERBENTUK

PLANAR PADA KACA SODA-LIME DENGAN METODE PERTUKARAN ION

  Muchlas Yulianto Program Studi Ilmu Fisika. Pascasarjana. Universitas Sebelas Maret

  

ABSTRAK

  Pandu gelombang adalah media yang digunakan untuk memandu perambatan cahaya dari suatu titik ke titik lain yang terkungkung di dalam medium dengan indeks bias rendah. Pandu gelombang ini berupa lapisan tipis yang berbentuk planar. Pandu gelombang berbentuk planar lebih murah dalam fabrikasinya dibandingkan dengan pandu gelombang berbentuk silinder dan mampu sebagai perangkat optik terintegrasi. Fabrikasi pandu gelombang planar dilakukan dengan menggunakan metode pertukaran ion. Keuntungan metode ini lebih effisien dan mampu diproduksi secara massal. Ion yang dipertukarkan

  adalah ion Na yang terdapat di kaca soda-lime dengan ion Ag /K hasil dari leburan garam AgNO

  3 3 sehingga terjadi proses pendifusian . Perbandingan molar garam

• –KNO AgNO

  3 3 yang digunakan adalah (3:7 mol %). Kaca soda-lime yang digunakan

• –KNO adalah jenis kaca preparat karena mengandung unsur silikat sebesar 78,23% sehingga baik digunakan sebagai fabrikasi pandu gelombang. Pengukuran nilai transmitansi dilakukan menggunakan spektrometer sedangkan jumlah mode gelombang dilakukan dengan menggunakan metode prisma kopling dengan teknik m-lines. Lapisan tipis yang

  o

  terbentuk pada suhu 315 C dengan variasi waktu pendifusian selama 400 menit merupakan kaca yang memiliki kualitas baik karena memiliki nilai transmitansi yang cukup rendah pada daerah ultraviolet sehingga kaca mempunyai energi foton yang besar untuk elektron melakukan transisi dari energi tingkat dasar ke tingkat energi yang lebih

  o

  tinggi. Jumlah mode gelombang yang dimiliki kaca pada suhu pendifusian 315 C dan variasi waktu 400 pada sudut kritis 41 derajat adalah 13 pola bright spot. Selain itu, pada

  o

  suhu pendifusian 315 C dan variasi waktu 400 menit juga mampu menghasilkan perubahan indeks bias sebesar 0,005 yang mengakibatkan terjadi pemantulan sempurna yang baik diantara lapisan tipis dengan substrat dan selubung sebagai profil graded index sehingga pandu gelombang planar ini dapat digunakan sebagai perangkat yang dapat diintegrasi dengan komponen optik lain, untuk aplikasi pembuatan splitter, sistem sensor dan interferometer.

  Kata kunci: pertukaran ion, pandu gelombang planar, indeks bias, transmitansi, jumlah mode gelombang.

  

FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF PLANAR WAVEGUIDES IN

SODA-LIME GLASS BY ION-EXCHANGE

  Muchlas Yulianto Physics Department of Graduate Program

  Sebelas Maret University

  

ABSTRACT

  The waveguide is the medium used to guide the propagation of light from point to point enclosed within a medium with a low refractive index. This waveguide is a thin layer planar geometry. Planar waveguides are cheaper in their fabrication compared to cylindrical waveguides and are capable of being integrated optics. The fabrication of planar waveguides is performed using ion exchange methods. The advantage of this method is more efficient

• and can be mass produced. The process of the ion-exchanged between Na ions from

  soda-lime glass and Ag /K ions from molten salt AgNO

  3 3 . The molar ratio of

• –KNO AgNO

  3 3 used is 3:7. The duration of ion-exchanged has been varied in the range of 25,

• –KNO 100, 225, 400, 625, and 900 minutes. The first step of fabrication planar waveguide is by clearing the glass using aquades, the second step is the immersion of glass into the mixture salt bath and then cooling the glass at room temperature. The glass samples

  showed a color change from transparent to dark yellow effect ion Ag /K . Measurement of transmittance using by spectrometer and the number of modes by prism coupling method with m-lines technique. A thin layer formed at 315°C with a variation of 400 minutes break time is a good quality glass having a sufficiently low transmittance value in the ultraviolet region so that the glass has a large photon energy for the electrons to transition

  o

  from the primary level energy to a level high energy. In addition, at 315 C diffusing temperature and 400 minutes time of diffusion also able to produce a refractive index

  o

  change of 0.005. The number of modes that the glass has at the 315 C diffusing temperature and 400 time of diffusion is 13 bright spot patterns and have a critical angle

  o

  41 degree. In addition, at 315 C diffusing temperature and 400 minutes able to produce a refractive index change of 0.005 resulting in a good total internal reflection between the thin layer with the substrate and the cladding as a graded index profile so that the planar waveguide can be used as an integrated device with other optical components, for splitter applications, sensor systems and interferometers.

  Keywords: ion-exchange, planar waveguides, refractive-index change, transmission, number of modes.

  

DAFTAR ISI

  6 1. Pandu Gelombang Planar (Planar Waveguide)..........................

  17 c. Persamaan Difusi Ionik ........................................................

  15 b. Proses Pertukaran Ion ...........................................................

  15 a. Kaca ......................................................................................

  12 2. Metode Pertukaran Ion (Ion-Exchange) .....................................

  11 c. Mode Gelombang .................................................................

  9 b. Perambatan Pandu Gelombang Planar .................................

  6 a. Profil Indeks Bias .................................................................

  6 A. Tinjauan Pustaka ..............................................................................

  Halaman

  5 BAB II DASAR TEORI ....................................................................................

  5 E. Manfaat Penelitian ............................................................................

  4 D. Batasan Masalah ...............................................................................

  4 C. Tujuan Penelitian ..............................................................................

  1 B. Rumusan Masalah ............................................................................

  1 A. Latar Belakang Masalah ...................................................................

  

HALAMAN JUDUL ........................................................................................... i

LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................ ii

HALAMAN PERNYATAAN ............................................................................ iii

MOTTO ............................................................................................................... iv

PERSEMBAHAN ............................................................................................... v

HALAMAN ABSTRAK ..................................................................................... vi

KATA PENGANTAR ........................................................................................ vii

DAFTAR ISI ....................................................................................................... ix

DAFTAR TABEL ............................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xii

DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xiv

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................

  20

  1)

  20 Hukum Fick I ................................................................. 2)

  21 Hukum Fick II ................................................................

  3.

  23 Metode Prisma Kopling dengan M-Line Tecnique ....................

  4.

  25 Medan Evanescent ......................................................................

  5.

  26 Reflektansi dan Transmitansi .....................................................

  6.

  27 Spektrum Absorpsi dan Transmitansi ........................................

  B.

  30 Kerangka Berpikir ............................................................................

  C.

  31 Hipotesis ...........................................................................................

  BAB III METODE PENELITIAN ....................................................................

  32 A.

  32 Tempat dan Waktu Penelitian ..........................................................

  B.

  32 Alat dan Bahan Penelitian ................................................................

  1.

  32 Alat yang Digunakan ..................................................................

  2.

  33 Bahan yang Digunakan ..............................................................

  3.

  33 Software .....................................................................................

  C.

  34 Tatalaksana Penelitian ......................................................................

  1.

  35 Persiapan Alat dan Bahan...........................................................

  2.

  35 Fabrikasi Pandu Gelombang Planar ...........................................

  3.

  36 Pembersihan Kaca Pandu Gelombang .......................................

  4.

  37 Karakterisasi Kaca Pandu Gelombang Planar ............................

  D.

  39 Analisa dan Kesimpulan ...................................................................

  BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ..................................

  40 A.

  40 Hasil Penelitian dan Pembahasan .....................................................

  1.

  40 Kaca Hasil Fabrikasi ..................................................................

  2.

  42 Indeks Bias Kaca Pandu Gelombang ........................................

  3.

  45 Pengukuran Transmitansi ...........................................................

  4.

  48 Pola Bright Spot .........................................................................

  5.

  49 Jumlah Mode Gelombang ..........................................................

  6.

  53 Kedalaman Lapisan Tipis Pandu Gelombang ............................

  7.

  54 Profil Indeks Bias terhadap Kedalaman Lapisan Tipis ..............

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN..............................................................

  58

  A.

  58 Kesimpulan .......................................................................................

  B.

  58 Saran .................................................................................................

  

DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xvi

DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xvii

DAFTAR SINGKATAN .................................................................................... xix

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

  

DAFTAR TABEL

  Halaman Tabel 2.1. Perubahan indeks bias pada leburan garam ........................................

  9 Tabel 2.2. Ion-ion yang umumnya digunakan dalam pertukaran ion ...................

  15 Tabel 2.3. Titik lebur dari beberapa garam dalam proses pertukaran ion ............

  19 Tabel 3.1. Rincian tahap-tahap penelitian ............................................................

  32 Tabel 3.2. Variasi suhu dengan waktu pendifusian ..............................................

  36 Tabel 4.1. Hasil pengukuran indeks bias kaca soda-lime hasil pendifusian

  o

  pada suhu 315 C..................................................................................

  42 Tabel 4.2. Hasil pengukuran indeks bias kaca soda-lime hasil pendifusian

  o

  pada suhu 350 C..................................................................................

  43 Tabel 4.3. Perubahan jumlah mode gelombang terhadap variasi waktu,

  49 suhu, dan konsentrasi pendifusian untuk λ = 632,8 nm ......................

Tabel 4.4. Kedalaman lapisan tipis pada kaca pandu gelombang ........................

  53

  o o

Tabel 4.5. Koefisien difusi lapisan tipis pada suhu pendifusian 315 C dan 350 C

  54

• yang digantikan ion Ag
• .....................

• –KNO 3 ..............
• yang digantikan ion Ag
• /K
• pada kaca

  23 Gambar 2.16. Prinsip kerja prisma kopling ..........................................................

  24 Gambar 2.17. Medan evanescent ..........................................................................

  26 Gambar 2.18. Polarisasi mode gelombang TE dan TM .......................................

  26 Gambar 2.19. Emisi absorbansi ............................................................................

  28 Gambar 2.20. Pengurangan energi radiasi akibat penyerapan ..............................

  29 Gambar 2.21. Grafik transmitansi kaca soda-lime ...............................................

  30 Gambar 3.1. Skema penelitian fabrikasi pandu gelombang planar ......................

  29 Gambar 2.22. Prinsip pertukaran ion Na

  34 Gambar 3.2. Skema prisma kopling (m-line technique) .......................................

  38 Gambar 4.1. Skema alat pendifusian ....................................................................

  34 Gambar 4.2. Hasil fabrikasi pandu gelombang planar .........................................

  41 Gambar 4.3. Grafik hubungan antara perubahan indeks bias dengan waktu .......

  44 Gambar 4.4. Grafik transmitansi hasil pendifusian pada suhu 315

  o C ..................

  21 Gambar 2.15. Diagram pergeseran pola bright spot .............................................

  18 Gambar 2.14. Skema ilustrasi Hukum Fick I .......................................................

  18 Gambar 2.13. Substrat sebelum dan setelah pertukaran ion .................................

  3

  17 Gambar 2.12. Temperatur dan komposisi diagram fasa AgNO

  17 Gambar 2.11. Prinsip pertukaran ion Na

  16 Gambar 2.10. Gambar dua dimensi struktur kaca soda-lime ...............................

  13 Gambar 2.9. Ilustrasi skematik dua dimensi pada susunan atom .........................

  12 Gambar 2.8. Pola mode melintang dalam pandu gelombang ...............................

  12 Gambar 2.7. Mekanisme perambatan pandu gelombang .....................................

  11 Gambar 2.6. Pemantulan internal sempurna ........................................................

  8 Gambar 2.5. Pemantulan dan pembiasan..............................................................

  8 Gambar 2.4. Profil indeks bias graded index pandu gelombang ..........................

  7 Gambar 2.3. Profil indeks bias step index pandu gelombang ...............................

  6 Gambar 2.2. Skema pandu gelombang planar ......................................................

  Halaman Gambar 2.1. Pandu gelombang optik: (a) slab, (b) strip, (c) fiber .......................

  

DAFTAR GAMBAR

  45

Gambar 4.5. Grafik transmitansi hasil pendifusian pada suhu 350

  o C ..................

  46 Gambar 4.6. Pergeseran pola bright spot (a) pola bulat penuh (b) pola terbelah .

  48 Gambar 4.7. Perubahan pola bright spot terhadap sudut datang suhu 315

  o C ......

  50 Gambar 4.8. Perubahan pola bright spot terhadap sudut datang suhu 350

  o C ......

  51 Gambar 4.9. Grafik hubungan antara jumlah mode gelombang dan waktu pendifusian 52

Gambar 4.10. Perubahan indeks bias terhadap kedalaman difusi, suhu 315

  o C ....

  54 Gambar 4.11. Perubahan indeks bias terhadap kedalaman difusi, suhu 350

  o C ....

  55