MODULATOR OPTIK

Di susun oleh :

Nama : Firman Taufiq H

NPM : 140310080019

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Padjajaran

2010

1

DAFTAR ISI

COVER……………………………………………………………………… 1

DAFTAR ISI................................................................................................... 2

I. PENDAHULUAN.................................................................................. 3

1.1 Latar Belakang................................................................................. 3

1.2 Tujuan.............................................................................................. 3

II. PEMBAHASAN.................................................................................... 4

2.1 Optik Nonlinier................................................................................. 4

2.2 Material Optik Nonlinier.................................................................. 9

2.3 Efek Elektro Optik............................................................................ 10

2.4 Modulasi........................................................................................... 11

2.5 Modulasi Optik................................................................................. 13

2.6 Modulator Optik............................................................................... 16

III. PENUTUP.............................................................................................. 28

DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………… 29

2

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Manusia sebagai makhluk ciptaan Tuhan YME dan sebagai wakil Tuhan di bumi

yang menerima amanat-Nya untuk mengelola kekayaan alam. Sebagai hamba Tuhan

yang mempunyai kewajiban untuk beribadah dan menyembah Tuhan Sang Pencipta

dengan tulus.

Selain itu, dalam kehidupan sehari- hari manusia tidak dapat lepas dari alat- alat

teknologi yang pada setiap waktu teknologi- teknologi tersebut terus bekembang. Serta

umat manusia dituntut untuk mengembangkan dan mengikuti perkembangan teknologi

tersebut. Dewasa ini teknologi-teknologi yang ada telah banyak yang menggunakan

optik. Sehingga alat-alat tersebut dapat lebih efisien dan lebih canggih.

1.2 Tujuan

Tujuan dalam penulisan makalah ini adalah untuk menambah pengetahuan dan

informasi bagi yang membacanya dan diharapkan dapat bermanfaat bagi kita semua

Serta untuk memenuhi nilai mata kuliah optik.

3

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Optik Nonlinier

Optik Nonlinier adalah ilmu pengetahuan modern terbaru yang berhubungan

dengan fenomena fisika yang terjadi akibat medan yang ditimbulkan oleh laser.

Teknologi ini dinamakan teknologi fotonik sebagai pengganti teknologi elektronik

untuk memperoleh, menyimpan, menyiapkan, mengirim dan memproses informasi.

Konsep komputer optik, proses sinyal optik dan image analisis sedang dikembangkan

dengan menggunakan proses optik nonlinier sebagai konversi frekuensi, modulasi

cahaya, optical switching, optical logic, penyimpan memori optik, dan optical limiter

function.

Sifat optik nonlinier suatu bahan diungkapkan melalui hubungan antara

polarisasi listrik terinduksi dalam bahan dengan medan listrik cahaya yang melalui

bahan tersebut. Sifat optic nonlinier suatu bahan akan nampak jika intensitas cahaya

yang melalui bahan cukup tinggi. Sifat nonlinieritas bahan tersebut diungkapkan dengan

suseptibilitas non linier (X( n )) dengan n = 2 dan 3 masing-masing untuk suseptibilitas

nonlinier orde kedua dan ketiga berturut-turut[3].

Untuk beberapa aplikasi optik nonlinier, yaitu: second harmonic

generation(SHG), image analisis, high density data storage, elektro-optik spatial light

modulation dapat direalisasikan dalam waktu dekat. Sedangkan untuk third harmonic

generation(THG), all-optical switching, sangat berguna bagi optical informasi

prosessing dan aplikasi dalam telekomunikasi di masa depan. Keuntungan terbesar

dalam menggunakan all-optical proses adalah penguatan kecepatan yang mencapai

subpicosecond. Secara garis besar device optik non linier dapat dilihat dalam tabel di

bawah.

4

2.2.1 Beberapa Aplikasi Optik Nonlinier

Nonlinier order-2

Material yang hanya memiliki sifat optik nonlinier order-2, bila material tersebut

disinari dengan cahaya dengan medan listrik E = E cos t. maka polarisasi yang

terjadi pada material :

P = (1) E cos t + ¼ (2) E 2 [cos 2 t + 1] (1)

Terlihat bahwa sebagai efek dari suseptibilitas order-2, polarisasi mengandung bagian

dc dan bagian berosilasi dengan frekuensi 2 di samping bagian yang berfrekuensi .

Bagian yang berosilasi dengan frekuensi 2 akan menginduksikan cahaya berfrekuensi

sama. Ini yang disebut second harmonic generatin (SHG).

Jika material dikenai sekaligus oleh medan listrik dc dan berosilasi dengan :

E = Edc + E cos t (2)

Maka suseptibilitas order-2 memberikan sumbangan terhadap suseptibilitas linier yakni :

(1) + (2) Edc (3)

5

sehingga indek biasnya bergantung pada medan Edc . Hal ini yang disebut dengan efek

elektrooptik atau Pockel yang memberi peluang terhadap proses modulasi cahaya.

Prinsip modulasi dilukiskan dalam gambar 2 di bawah ini :

Selanjutnya andaikan dua berkas cahaya masing-masing Es cos st dan Ep cos pt

dengan p > s , menyinari material. Secara serentak, kedua medan itu akan

menimbulkan polarisasi yang berkaitan dengan order-2 yakni :

½ (2) Ep Es cos ( p - s) t (4)

maka yang selanjutnya menginduksikan medan listrik di dalam material :

EI (2) Ep Es cos I t (5)

Dimana I = p - s

Sehingga mengakibatkan medan ini bersama medan Ep cos p t akan menginduksikan

polarisasi (2) Ip Es cos st dengan Ip adalah intensitas cahaya Ep. Polarisasi ini

selanjutnya menginduksikan medan :

Eo (2) Ip Es cos st (6)

Jadi, cahaya Es cos st akan dilewatkan melalui material dengan suatu faktor penguatan

yang bergantung pada suseptibilitas order-2 material dan intensitas Ip dari medan Ep cos

pt. Hal ini dapat diperlihatkan dalam gambar 3

6

Nonlinier order-3

Material yang memiliki suseptibilitas order-3 bila disinari cahaya dengan medan E cos

t, maka polarisasi sehubungan dengan suseptibilitas order-3 adalah :

1/6 (3) E 3 [3/4 cos t + ¼ cos 3 t] (7)

Maka suku kedua dari polarisasi itu akan menginduksikan medan berfrekuensi 3 kali.

Peristiwa ini disebut third harmonic generatin(THG). Suku pertama bersifat linier, dan

itu memberi sumbangan terhadap suseptibilitas linier :

(1) + 1/8 (3) E 2 (8)

Jika no adalah indeks bias sebelumnya, maka dalam keadaan dilalui cahaya berintensitas

I ( E 2) indeks itu bergeser menjadi :

n = no + n2I (9)

dengan n2 merupakan parameter yang bergantung pada (3) dari material. Indeks bias

yang bergantung intensitas cahaya tersebut merupakan dasar bagi rekayasa devais untuk

switching. Dalam gambar di bawah ini diperlihatkan skema devaisnya.

7

Sedangkan gambar 4b. memperlihatkan hubungan antara intensitas transmisi dan

intensitas masukan. Selanjutnya dengan menggunakn gabungan medan dc Edc dan

medan E cos t, polarisasi yang berkaitan dengan nonlinier order-3 mengandung

½ (3) E Edc2 cos t (10)

Dengan demikian, suseptibilitas linier berubah menjadi :

(1) + ½ (3) E 2 (11)

sehingga indeks bias bergantung pada Edc2. Peristiwa ini dikenal sebagai efek

elektrooptik kuadratik atau efek Kerr. Disamping sebagai modulator, efek ini

merupakan dasar bagi optical shutter atau switching dan directional coupler. Seperti

diperlihatkan dalam gambar 5 dibawah ini :

2.2 Material Optik Nonlinier

8

Material-material optik nonlinier yang dipakai saat ini dalam fabrikasi devais-

devais fotonik pasif dan aktif adalah kristal-kristal anorganik yang bersifat feroelektrik

misalnya kristal Kalium Dideterium Pospat(KDP) untuk pengganda frekuensi laser,

kristal Lithium Niobat(LiNbO3) untuk modulator elektrooptik dan kristal Barium

Titanat(BaTiO3) untuk aplikasi konjugasi fasa. Meskipun teknologi penumbuhan kristal

untuk material-material ini berkembang jauh dan optik nonlinieritasnya cukup untuk

kebanyakan aplikasi fotonik, namun material-material ini mempunyai kelakuan yang tak

menguntungkan; misalnya harus dalam bentuk kristal tunggal.

Hal lain yang lebih sulit diatasi adalah bahwa kristal-kristal itu dalam optical switching

masih terlalu lambat. Keterbatasan-keterbatasan ini memaksa orang untuk mencari

material baru yang tepat dalam aplikasinya. Material-material organik merupakan

kandidat bagi optik nonlinier karena beberapa alasan :

1. Waktu respon sangat cepat.

2. Suseptibilitas off-resonance sama atau lebih besar dari pada kristal organik.

3. Mudah difabrikasi.

4. Mudah diintegrasikan di dalam devais.

5. Ambang kerusakannya terhadap laser cukup tinggi

6. Harganya relatif lebih murah.

Namun demikian, hingga saat ini masih harus dilakukan riset untuk pengembangannya.

Beberapa aspek yang menjadi obyek riset dalam optik nonlinier antara lain adalah :

1. Pemahaman tentang proses optik nonlinier.

2. Kaitan antara proses optik nonlinier dan struktur material.

3. Rekayasa dan sintesis material untuk memperoleh sifat-sifat termal dan mekanik

serta stabilitas terhadap cahaya yang baik.

9

2.3 Efek Elektro Optik

Efek elektro-optik adalah perubahan dalam sifat optik bahan sebagai tanggapan

medan listrik yang bervariasi lambat dibandingkan dengan frekuensi cahaya. Istilah ini

mencakup sejumlah fenomena yang berbeda, yang dapat dibagi lagi menjadi

A. Perubahan Penyerapan

1. Electroabsorption: perubahan umum penyerapan konstanta.

2. Keldysh Franz-efek: perubahan dalam penyerapan ditampilkan di beberapa

semikonduktor massal.

3. Quantum-confined efek Stark: perubahan dalam penyerapan di beberapa sumur

kuantum semikonduktor .

4. Efek elektro-chromatik: pembentukan band serapan pada beberapa panjang

gelombang, yang menimbulkan perubahan warna.

B. Perubahan Indeks Bias

1. Pockels efek (atau efek elektro-optik linear): perubahan indeks bias berbanding lurus

dengan medan listrik. Hanya padatan kristal tertentu menunjukkan efek Pockels,

karena memerlukan kurangnya simetri inversi.

2. Efek Kerr (atau efek elektro-optik kuadrat, QEO efek): perubahan indeks bias

sebanding dengan kuadrat dari medan listrik. Semua bahan menampilkan efek Kerr,

dengan besaran bervariasi, tetapi umumnya jauh lebih lemah daripada efek Pockels.

3. Elektro-gyration: perubahan aktivitas optik.

Perubahan dalam penyerapan dapat memiliki efek yang kuat pada indeks bias untuk

panjang gelombang dekat tepi penyerapan, karena hubungan Kramer-Kronig.

10

Menggunakan definisi kurang ketat efek elektro-optik memungkinkan juga medan

listrik osilasi pada frekuensi optik, orang juga bisa termasuk penyerapan nonlinier

(penyerapan tergantung pada intensitas cahaya) untuk kategori a) dan efek Kerr optik

(indeks bias tergantung pada cahaya intensitas) untuk kategori b). Dikombinasikan

dengan photoeffect dan fotokonduktivitas, efek elektro-optik menimbulkan efek

photorefractive.

2.4 Modulasi

Modulasi adalah proses perubahan (varying) suatu gelombang periodik sehingga

menjadikan suatu sinyal mampu membawa suatu informasi atau suatu proses

penumpangan sinyal-sinyal informasi ke dalam sinyal pembawa (carrier), sehingga

dapat ditransmisikan ke tujuan. Dengan proses modulasi, suatu informasi (biasanya

berfrekeunsi rendah) bisa dimasukkan ke dalam suatu gelombang pembawa, biasanya

berupa gelombang sinus berfrekuensi tinggi. Terdapat tiga parameter kunci pada suatu

gelombang sinusiuodal yaitu : amplitudo, fase dan frekuensi. Ketiga parameter tersebut

dapat dimodifikasi sesuai dengan sinyal informasi (berfrekuensi rendah) untuk

membentuk sinyal yang termodulasi.

Peralatan untuk melaksanakan proses modulasi disebut modulator, sedangkan peralatan

untuk memperoleh informasi informasi awal (kebalikan dari dari proses modulasi)

disebut demodulator dan peralatan yang melaksanakan kedua proses tersebut disebut

modem.

Informasi yang dikirim bisa berupa data analog maupun digital sehingga terdapat dua

jenis modulasi yaitu

modulasi analaog

modulasi digital

11

2.4.1 Modulasi Analog

Dalam modulasi analog, proses modulasi merupakan respon atas informasi sinyal

analog. Teknik umum yang dipakai dalam modulasi analog :

Modulasi berdasarkan sudut :

o Modulasi Fase (Phase Modulation - PM)

o Modulasi Frekuensi (Frequency Modulatio - FM)

Modulasi Amplitudo (Amplitudo Modulation - AM) :

o Double-sideband modulation with unsuppressed carrier (used on the

radio AM band)

o Double-sideband suppressed-carrier transmission (DSB-SC)

o Double-sideband reduced carrier transmission (DSB-RC)

o Single-sideband modulation (SSB, or SSB-AM), very similar to single-

sideband suppressed carrier modulation (SSB-SC)

o Vestigial-sideband modulation (VSB, or VSB-AM)

o Quadrature amplitude modulation (QAM)

2.4.2 Modulasi Digital

Dalam modulasi digital, suatu sinyal analog di-modulasi berdasarkan aliran data digital.

Perubahan sinyal pembawa dipilih dari jumlah terbatas simbol alternatif. Teknik yang

umum dipakai adalah :

Phase Shift Keying (PSK), digunakan suatu jumlah terbatas berdasarkan fase.

Frekeunsi Shift Keying (FSK), digunakan suatu jumlah terbatas berdasarkan

frekuensi.

Amplitudo Shift Keying (ASK), digunakan suatu jumlah terbatas amplitudo.

12

2.5 Modulasi Optik

Pada teori modern, diketahui bahwa cahaya merupakan gelombang yang dapat

memiliki sifat-sifat seperti pembiasan, pemantulan, interferensi, difraksi, dan polarisasi.

Perambatan cahaya dapat dianalisis secara mendetail menggunakan teori gelombang

elektromagnetik. Teori ini untuk menjelaskan cahaya dalam frekuensi, panjang

gelombang, dan fasa. Teori lain yang berkembang berhubungan dengan cahaya adalah

teori kuantum cahaya atau disebut juga teori Foton. Teori ini memandang cahaya

sebagai perambatan paket energi yang disebut foton. Energi yang dikandung dalam tiap

foton dihubungkan dengan frekuensi dari cahaya adalah:

Ep=h.f

dimana :  Ep adalah energi foton (Joule)

h adalah konstanta Planck (6,626.10-34 Joule-s)

f adalah frekuensi (Hertz)

Teori foton ini digunakan dalam analisis dan menjelaskan tentang pembangkitan dan

deteksi cahaya. Hal ini sangat membantu dalam menggambarkan transformasi cahaya

ke dalam arus elektron (elektrik) dan sebaliknya.

Modulasi optik atau modulasi cahaya adalah teknik modulasi yang

menggunakan berkas cahaya berupa pulsa pulsa cahaya sebagai sinyal pembawa

informasi. Berkas cahaya yang digunakan disini adalah berkas cahaya yang dihasilkan

oleh suatu sumber cahaya (laser atau LED). Dibandingkan dengan modulasi

konvensional, modulasi cahaya memiliki keunggulan dalam hal ketahanan terhadap

derau yang sangat tinggi, karena sinyal tidak dipengaruhi medan elektromagnet. Di

samping itu, sistem ini memungkinkan adanya bitrate hingga mencapai ratusan gigabit

per detik. Dalam modulasi optik, sinyal dapat dimodulasi amplitudonya yang dikenal

13

dengan modulasi intensitas (Intensity Modulation) berupa Amplitudo Shift Keying

(ASK) / On-Off Keying (OOK). Selain itu, berkas cahaya dapat juga dimodulasi

frekuensinya atau lebih tepat modulasi panjang gelombang (Wavelength Modulation).

Dan yang ketiga adalah dimodulasi fasanya (Phasa Modulation).

2.5.1 Teknik Modulasi Optik

Dalam modulasi optik koheren, sinyal cahaya yang dimodulasikan dapat

direpresentasikan dalam bentuk rumus besaran elektrik. Adapun rumus dasar besaran

tersebut dapat didefinisikan :

dimana : Keterangan

Dari persamaan dasar diatas, dapat diturunkan tiga macam teknik modulasi optik :

1. Amplitude Shift Keying (ASK) atau disebut juga On-Off Keying (OOK) yang

memodulasi sinyal optik dengan perubahan amplitudo antara “0” dan “1” sementara

frekuensi konstan dan tak ada lompatan fasa.

2. Frequency Shift Keying (FSK) yan memodulasi sinyal optik dengan perubahan

Frekuensi w1 ( omega 1) dan  w2 ( omega 2) dan mewakili sinyal biner, sementara

amplitudo konstan dan tak terjadi lompatan fasa.

14

3. Phase Shift Keying (PSK) yang memodulasi sinyal optik berdasarkan perubahan fasa

menurut gelombang sinus:

dimana beta adalah indeks modulasi dan adalah frekuensi modulasi omega M

2.5.2 Format Awal Modulasi Sistem Optik

Untuk waktu yang lama, non-return-to-zero on-off-keying (NRZ-OOK)

mendominasi format modulasi yang digunakan dalam sistem komunikasi serat optik.

Format modulasi NRZ-OOK ini hanya akan disebut OOK. Alasan–alasan yang

mungkin mendasari penggunaan OOK pada awal aplikasi serat optik sebagai sistem

komunikasi: pertama, OOK ini hanya membutuhkan bandwidth elektrik yang relatif

kecil untuk transmitter dan receiver (dibandingkan dengan RZ- OOK); yang kedua,

OOK tidak sensitif terhadap noise fasa laser (dibandingkan Phase Shif Keying); dan

yang terakhir OOK memiliki konfigurasi yang sederhana pada transmitter maupun

receiver. Pada beberapa tahun terakhir, sebagaimana komunikasi serat optik yang

mengalami kemajuan dalam hal datarates yang semakin tinggi, DWDM dan komunikasi

jarak jauh dengan amplifier optik, modulasi OOK akan menjadi referensi yang baik

sebagai pembanding.

Blok diagram transmitter NRZ diperlihatkan dalam gambar dibawah ini , dimana

sinyal elektrik dimodulasi dengan sebuah modulator intensitas eksternal. Modulator

intensitas ini bisa berupa jenis Mach-Zehnder atau jenis electro-absorbtion, yang

mengubah sinyal elektrik OOK dengan data rate Rb menjadi suatu sinyal optik OOK

pada data rate yang sama. Lebar pulsa optik pada sebuah pulsa ”1” yang terisolasi

(antara bit-bit ”0”) sama dengan kebalikan dari data rate (1/ Rb). Untuk mendeteksi

suatu sinyal optik NRZ, digunakan sebuah fotodiode yang sederhana pada receiver,

yang akan mengubah daya optik sinyal menjadi arus listrik. Disebut juga direct

detection (DD).

15

2.6 Modulator Optik

Modulator optik berfungsi memodulasi cahaya dengan cara mengubah-ubah

amplitude, frikuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga mampu membawa sinyal

info. Berdasarkan tempat terjadinya modulasi, ada 2 macam modulasi optik, sehingga

dengan sendirinya ada 2 macam modulator, yaitu modulator internal (internal

modulator) dan modulator eksternal (external modulator). Modulator internal

memodulasi cahaya di dalam perangkat sumber cahayanya, sedangkan modulator

eksternal memodulasi cahaya di luar perangkat sumber cahayanya. Berdasarkan

interaksi antara sinyal masukan dengan media interaksi optik, maka terdapat tiga jenis

modulator ekstern yaitu elektro-optik, magneto-optik, dan acousto-optic.

Klasifikasi Modulator Optik

Menurut sifat bahan yang digunakan untuk memodulasi sinar, modulator dibagi

menjadi dua kelompok: modulator serap dan modulator bias. Koefisien penyerapan

bahan modulator dapat dimanipulasi oleh efek Franz-Keldysh, Quantum-confined Stark,

excitonic penyerapan, atau perubahan konsentrasi carrier bebas. Biasanya, jika beberapa

efek tersebut muncul bersama-sama, modulator disebut modulator elektro-absorptive.

Modulator bias paling sering menggunakan efek elektro-optik, modulator lain

dibuat dengan efek acousto-optik atau efek magneto-optik atau mengambil keuntungan

16

dari perubahan polarisasi dalam kristal cair. Modulator bias diberi nama berdasarkan

efek yang terjadi pada modulator, contohnya : modulator electr-optic, modulator

acousto-optik, dll. Pengaruh operasi modulator bias adalah perubahan fase dari sinar.

Ini dapat dikonversi menjadi modulasi amplitudo oleh interferometer atau couplers

terarah.

2.6.1 Modulator Internal (Sumber Cahaya)

Ada dua sumber cahaya yang dikenal dalam komunikasi optik: Light Emitting Diode

(LED) dan Illuminating Laser Diode (ILD) yang lebih sering disebut laser.

Perbandingan karakteristik LED dan LASER:

A. Light Emitting Diode (LED):

1. Daya optik keluaran rendah.

2. Penguatan cahaya tidak ada.

3. Stabil terhadap suhu.

4. Disipasi panas kecil.

5. Arus pacu kecil.

6. Lifetime lebih sedikit.

7. Tidak compatible dengan fiber optik single mode sehingga tidak cocok untuk komunikasi jarak jauh (long haul).

B. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER):

1. Daya optik keluaran besar.

2. Terdapat penguatan cahaya.

3. Kurang stabil terhadap suhu.

4. Disipasi panas besar.

5. Arus pacu besar.

17

6. Lifetime lebih lama.

7. Kompatible dengan fiber optik jenis single mode sehingga sangat cocok digunakan

untuk komunikasi jarak jauh. Dari perbandingan karakteristik di atas, maka diperoleh

bahwa LASER mempunyai kriteria yang lebih baik dan lebih cocok untuk sistem yang

digunakan daripada LED sebagai sumber cahaya.

2.6.2 Modulator Eksternal

A. Modulator Elektro-Optik

Modulator eksternal elektro-optik adalah modulator yang memanfaatkan

interaksi sinyal elektrik dengan media interaksi. Interaksi yang terjadi pada elektro-

optik ini adalah terjadinya perubahan indek bias media interaksi akibat pengaruh medan

elektrik yang diberikan kepada media interaksi tersebut. Jika medan elektrik diberikan

kepada media interaksi optik maka distribusi elektron pada media interaksi akan

terdistorsi dan terpolarisasi sehingga menyebabkan indeks bias media interaksi berubah

secara isotropik sehingga akan mengubah karakteristik pandu gelombang optik atau

karakteristik media interaksi. Dengan berubahnya karakteristik tersebut maka mode

perambatan berkas akan berubah baik berupa perubahan fasa ataupun panjang

gelombang. Pengaruh medan elektrik pada perubahan indeks bias media interaksi

menghasilkan dua macam interaksi elektro-optik yaitu : Efek Pockels yang merupakan

efek linier elektro-optik pada media interaksi zat padat. Efek Kerr yang merupakan efek

kuadrat elektro-optik pada media interaksi yang umumnya berupa zat cair.

a. Modulator Mach Zehnder

Mach Zehnder merupakan jenis modulator eksternal elektro-optik, modulator ini

bekerja mempengaruhi berkas cahaya yang melintas dengan menggunakan medan

elektromagnetik tertentu yang dihasilkan oleh pulsa-pulsa listrik. Atau dengan kata lain

modulator ini bekerja berdasarkan prinsip perpaduan (interfering) dua berkas cahaya

18

koheren yang menghasilkan pola garis-garis cahaya (fringe) sesuai dengan besarnya

beda fasa antara dua berkas cahaya tadi. Gambar dibawah adalah skema dasar

Interferometer Mach Zehnder. Pada gambar tersebut nampak jelas cara kerja alat jika

dilihat dari arah rambatan cahayanya

Keterangan :

S sumber berkas

P titik fokus lensa L2

W1,W2,W3 muka gelombang optik

L1 dan L2 lensa kolimator

D1 dan D2 media semi pantul

M1 dan M2 cermin pemantul

Perbedaan fasa yang terjadi bisa disebabkan dua hal, yaitu perbedaan fasa karena

pemantulan atau perbedaan karena lintasan. Pada kasus ini perbedaan fasa yang

ditimbulkan disebabkan karena perbedaan lintasan yang ditempuh kedua berkas sinar.

Perbedaan fasa akibat pantulan tidak terjadi di sini, karena terjadinya pantulan pada

masing-masing berkas sinar sama, yaitu tiap berkas sama-sama mengalami dua kali

19

pemantulan. Beda fasa antara dua berkas cahaya pada titik P dapat dinyatakan dalam

persamaan

dimana :

h adalah selisih jarak antara dua berkas cahaya dalam interferometer.

n adalah indeks bias medium perambatan optik.

Pada titik P, tempat bertemunya dua berkas cahaya tadi, akan terjadi pola dengan titik

pusat (fringe) terang jika :

dan fringe gelap jika :

Dari persamaan diatas  , pola interferensi muncul akibat perbedaan lintasan antara dua

berkas cahaya yang masuk dalam interferometer sehingga menimbulkan perbedaan fasa

antara kedua berkas tersebut. Jika tidak ada perbedaan lintasan antara kedua berkas,

maka tidak akan timbul interferensi karena tidak ada beda fasa antara kedua berkas

sehingga keduanya akan menyatu kembali dengan sempurna. Perbedaan lintasan ini

muncul karena kedua berkas tiba pada titik yang berbeda pada L2 sehingga keduanya

mencapai titik fokus lensa L2 yaitu P dengan menempuh jarak lintasan yang berbeda

pula.Karena pola interferensi yang muncul tergantung pada parameter n dan parameter

h, maka persamaan  di atas dapat diturunkan berdasarkan kedua parameter tersebut. Bila

diturunkan rumus beda fasa di atas, maka akan diperoleh :

20

Rumus Beda Fasa 2

Dari penurunan persamaan di atas, seperti yang ditunjukkan oleh persamaan beda fasa

(a)terlihat bahwa perubahan fasa tergantung pada perubahan indeks bias n dan

perubahan jarak h akibat pergeseran posisi keempat komponen optik yaitu L1, L2, M1,

M2. Perubahan fasa tersebut berbanding lurus dengan perubahan kedua parameter tadi.

Selain itu, muncul konstanta yang membuat beda fasa tidak menjadi nol bila tidak ada

perubahan indeks bias atau perubahan jarak lintasan. Sedangkan pada persamaan beda

fasa b menunjukkan pengaruh jarak dalam perubahan fasa dan persamaan beda fasa c

menunjukkan hal serupa untuk indeks bias medium perambatan. Berdasarkan gambar

model prisma di atas, redaman yang dialami berkas cahaya pada interferometer Mach

Zehnder terjadi saat melewati medium udara, media semi pantul (D1 dan D2), lensa

kolimator (L1 dan L2). Berkas diserap udara dan lensa-lensa tersebut kemudian berubah

menjadi bentuk lain baik berupa panas maupun hamburan berkas. Timbulnya redaman

tersebut tak dapat diperkirakan besarnya tergantung karakteristik lensa-lensa dan juga

medium udara di sekitar interferometer.

B. Modulator Akusto-Optik

Suatu modulator eksernal acousto-optik (AOM), juga disebut sel Bragg,

modulator ini menggunakan efek acousto-optik untuk pelenturkan dan pergeseran

frekuensi cahaya menggunakan gelombang suara (biasanya di radio-frekuensi).

Modulator ini digunakan dalam laser untuk Q-switching, dalam telekomunikasi untuk

modulasi sinyal, dan dalam spektroskopi untuk kontrol frekuensi. Sebuah transduser

21

piezoelektrik terpasang pada material seperti kaca. Sebuah drive sinyal listrik yang

berosilasi agar transduser bergetar, yang menciptakan gelombang suara di kaca. Ini

dapat dianggap sebagai perpindahan pesawat periodik ekspansi dan kompresi yang

mengubah indeks bias. Cahaya yang masuk menyebar dari indeks modulasi yang

dihasilkan periodik dan terjadi gangguan serupa dalam difraksi Bragg. interaksi ini

dapat dianggap sebagai empat gelombang pencampuran antara fonon dan foton. Sifat-

sifat cahaya keluar AOM dapat dikontrol dalam lima cara:

1. Defleksi

Sebuah berkas difraksi yang muncul pada sudut θ yang tergantung pada panjang

gelombang cahaya λ relatif terhadap panjang gelombang dari suara Λ.

        

    dalam rezim Bragg dan

dengan cahaya: normal terhadap gelombang suara, di mana m = ..., -2, -1, 0, 1, 2, ...

adalah urutan difraksi. Difraksi dari modulasi sinusoidal dalam kristal tipis hanya

menghasilkan m = -1, 0, 1 difraksi perintah. Difraksi dalam kristal mengalir ketebalan

medium menyebabkan difraksi perintah yang lebih tinggi. Dalam kristal tebal dengan

modulasi lemah, hanya perintah phasematched adalah difraksi, ini disebut difraksi

Bragg. Defleksi sudut dapat berkisar 1-5000 lebar balok (jumlah bintik-bintik diatasi).

Akibatnya, lendutan yang ada biasanya terbatas pada puluhan milliradians.

2. Intensitas

 Jumlah cahaya difraksi oleh gelombang suara tergantung pada intensitas suara. Oleh

karena itu, intensitas suara dapat digunakan untuk mengatur intensitas cahaya dalam

berkas difraksi. Biasanya, intensitas yang difraksi menjadi m = 0 agar dapat bervariasi

22

antara 15% sampai 99% dari intensitas cahaya masukan. Demikian pula, intensitas order

m = 1 dapat bervariasi antara 0% dan 80%.

3. Frekuensi

Satu perbedaan dari difraksi Bragg adalah bahwa cahaya adalah hamburan dari pesawat

bergerak. Konsekuensi dari hal ini adalah frekuensi f berkas difraksi dalam m ketertiban

akan Doppler-bergeser dengan jumlah yang sama dengan frekuensi gelombang suara F.

Pergeseran frekuensi juga dibutuhkan oleh fakta bahwa energi dan momentum (dari

foton dan fonon) yang kekal dalam proses. Pergeseran frekuensi yang khas bervariasi

dari 27 MHz, untuk AOM lebih murah, sampai 400 MHz, untuk perangkat komersial

negara-of-the-art. Dalam beberapa AOMs, dua gelombang akustik perjalanan di arah

yang berlawanan dalam materi, menciptakan sebuah gelombang berdiri. Difraksi dari

gelombang berdiri tidak pergeseran frekuensi cahaya difraksi.

4. Tahap

 Selain itu, fase berkas difraksi juga akan bergeser oleh fase dari gelombang suara. tahap

ini dapat diubah dengan jumlah yang sewenang-wenang.

5. Polarisasi

Kesegarisan akustik gelombang transversal atau gelombang longitudinal tegak lurus

dapat mengubah polarisasi. Gelombang akustik menginduksi fase pergeseran-

birefringent, seperti dalam sel Pockels. Filter merdu acousto-optik, terutama dazzler,

yang dapat menghasilkan bentuk pulsa variabel, didasarkan pada prinsip ini [1].

23

Acousto-optic modulator jauh lebih cepat daripada perangkat mekanik khas seperti

cermin yang dapat dimiringkan. Waktu yang diperlukan AOM untuk menggeser balok

keluar dari dalam secara kasar terbatas pada waktu transit dari gelombang suara di balok

(biasanya 5-100 nanodetik). Hal ini cukup cepat untuk menciptakan modelocking aktif

dalam laser ultrafast. Ketika kontrol lebih cepat adalah modulator elektro-optik perlu

digunakan. Namun, ini membutuhkan tegangan yang sangat tinggi (misalnya 10

kilovolts), sedangkan AOMs menawarkan jangkauan lebih lendutan, desain sederhana,

dan konsumsi daya rendah (kurang dari 3 watt).

Sebuah modulator acousto-optic terdiri dari transduser piezoelektrik yang menciptakan

gelombang suara dalam bahan seperti gelas atau kuarsa. Sebuah berkas difraksi cahaya

dalam beberapa perintah. Dengan bergetar material dengan sinusoida murni dan miring

AOM gelombang sehingga cahaya ini tercermin dari suara datar ke difraksi orde

pertama, hingga 90% defleksi efisiensi dapat dicapai.

C. Modulator Magneto-Optik

Sebuah modulator cahaya magneto-optik spasial (MOSLM) adalah sebuah

perangkat programmable real-time untuk modulasi amplitudo dan / atau fase dari sinyal

24

optik dua dimensi pada kecepatan tinggi. Baru-baru ini, kami mengembangkan tegangan

dorong bagi refleksi MOSLM dengan kristal jenis satu dimensi magneto-fotonik (MPC)

struktur. The MOSLM didorong oleh tegangan dari film substrate. Untuk efek

piezoelektrik tinggi, film substrate disimpan pada layer refleksi dilakukan dengan

perlakuan panas. Oleh karena itu, untuk efisiensi optik tinggi, lapisan refleksi dalam tipe

refleksi MPC harus memiliki ketahanan panas yang tinggi.

Sebuah modulator cahaya magneto-optik spasial (MOSLM) adalah dua dimensi

elektrik SLM (spatial light modulator) berdasarkan pada efek magneto-optik yang

dikenal sebagai efek Faraday. Efek Faraday adalah properti dari beberapa bahan

transparan yang menyebabkan rotasi polarisasi cahaya melintasi melalui zat seperti

ketika material terkena medan magnet. Sebuah MOSLM terdiri dari kotak persegi

magnetis mesas bistable (piksel) yang dapat digunakan untuk memodulasi insiden

cahaya terpolarisasi oleh efek Faraday. Keadaan setiap pixel dapat diaktifkan secara

elektrik sehingga pola objek dapat ditulis ke dalam SLM menggunakan komputer.

Dengan demikian, perangkat dapat berfungsi sebagai SLM yang dapat diprogram.

Struktur dasar dari MOSLM adalah sebuah bismut-doping film, magnetik besi-

garnic film epitaxially yang diletakkan di atas substrat, kristal garnet transparan non

magnetik. Film ini kemudian terukir di kotak persegi mesas magnetis bistable, dan garis

drive sekarang didepositkan di antara mereka. Perangkat yang dihasilkan adalah matriks

n x n pixel, seperti digambarkan pada gambar dibawah.

25

Ketika cahaya terpolarisasi linier terjadi pada perangkat, sumbu polarisasi

cahaya ditransmisikan akan diputar 45 derajat searah jarum jam untuk keadaan

magnetik. Bidang polarisasi diputar 45 derajat berlawanan arah jarum magnet bagi

negara sebaliknya, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah. Keadaan

magnetisasi sebuah piksel dapat diubah dengan mengirimkan arus listrik untuk dua garis

berdampingan. Sebuah analyzer dapat mengubah rotasi polarisasi ke format output

berguna. Jika analisa ini ditetapkan pada arah membuat sudut 45 derajat dengan sumbu

polarisasi asli, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, hanya berlawanan

arah jarum jam diputar cahaya dapat melewati analyzer tersebut. Jadi modulasi

intensitas atau kecerahan sinar insiden akan diperoleh. Atau, sumbu analyzer dapat

diatur tegak lurus dengan yang polarizer itu. Dalam hal ini, cahaya balok melewati

magnet piksel di negara-negara yang berbeda akan memiliki amplitudo output sama tapi

akan polarisasi arah yang berlawanan. Dengan kata lain, output dari magnet piksel

dengan negara-negara yang berbeda memiliki perbedaan fasa 180 derajat, yang

diinginkan untuk aplikasi tertentu pemrosesan sinyal optik.

Sebagai keadaan magnetisasi zat yang stabil, pada MOSLM memiliki kapasitas

penyimpanan. Keadaan diaktifkan melalui arus listrik. Arus ini dapat menghasilkan

panas, karena kerugian ohmik, yang membatasi kinerja MOSLM. Kecepatan switching

dari domain magnetik itu sendiri dalam perangkat tersebut dapat sangat cepat, umumnya

26

urutan puluhan nanodetik. Saat ini, 256 x 256 piksel MOSLM tersedia secara komersial.

Jarak 70m, kecepatan frame ke pusat-pusat antara piksel biasanya sekitar 100-300 Hz,

dan rasio kontras 300:1 pada panjang gelombang 633 nm. Kekurangan utama dari

MOSLM adalah transmitansi yang rendah, yang hanya sekitar 5% untuk kebanyakan

panjang gelombang laser.

2.6.4 Simulasi Modulator Optik dengan Kopling antar Dua Pandu Gelombang

Modulator optik yang didasarkan dengan kopling antar dua pandu gelombang

(wave guide), salah satu pandu gelombangnya bersifat pasif dan tidak absorptif. Pandu

gelombang kedua yang diletakkan sejajar pandu gelombang pertama bersifat optik non

linear(NLO) dengan koefisien NLO orde dua yang besar dan absorptif. Perpindahan

energi antar dua pandu gelombang pada ke dua pandu gelombang NLO. Medan listrik

tersebut berasal dari sinyal yang akan ditransmisikan

Setelah melewati tahap penguatan. Medan listrik yang diterapkan mengubah

indeks bias pandu gelombang NLO yang melahirkan perubahan fase gelombang yang

sedang merambat. Unjuk kerja modulator seperti extinction ratio, insertion loss, drive

voltage dan frequency bandwidth dikaji pada berbagai parameter material dan geometri

untuk mendapatkan parameter yang optimal. Sehingga diperoleh hasil berupa :

1. Untuk memperbesar extinction ratio dan memperkecil insertin loss, pandu gelomang

NLO harus memiliki konstanda absorpsi yang dan panjang modulator tidak terlalu

besar.

2. Untuk memperkecil drive volatage maka jarak antar dua pandu gelomang harus kecil

dan indeks bias pandu gelombang NLO harus besar.

3. Pemasangan elektroda dengan struktur symmetry coplanar yang memiliki nisbah

G/W

(jarak antar elektroda dibagi lebar elektroda) yang besar dapat memperbesar

bandwidth

27

4. Pengaruh kehadiran elektroda terhadap perambatan gelombang dapat diperkecil

dengan menggunakan elektroda yang cukup tebal dari emas atau perak.

BAB III

PENUTUP

Jadi Modulator optik adalah suatu divais yang berfungsi memodulasi cahaya

dengan cara mengubah-ubah amplitude, frekuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga

mampu membawa sinyal info. Berdasarkan tempat terjadinya modulasi, ada 2 macam

modulasi optik, sehingga dengan sendirinya ada 2 macam modulator, yaitu modulator

internal (internal modulator) dan modulator eksternal (external modulator). Modulator

internal memodulasi cahaya di dalam perangkat sumber cahayanya, sedangkan

modulator eksternal memodulasi cahaya di luar perangkat sumber cahayanya.

Berdasarkan interaksi antara sinyal masukan dengan media interaksi optik,

maka terdapat tiga jenis modulator eksternal yaitu elekctro-optic, magneto-optic, dan

acousto-optic. Setiap jenis modulator mempunyai kelebihan dan kelemahan masing-

masing.

28

DAFTAR PUSTAKA

T. Suhara, M. Fujimura,”Waveguide Nonlinear-Optic Devices”, Springer, 2003.

Francis T. S. Yu,Xiangyang Yang, Introduction to optical engineering, 1997.

Guenther, R.d., 1990. Modern Optics, JohnWilley and Sons.

 http://www.ittelkom.ac.id/library/index.php?view=article&catid=23:sistem-

komunikasi-optik&id=282:modulasi-cahaya&option=com_content&Itemid=15

http://elektroindonesia.com/elektro/inst24.html

29