ELEKTRO-OPTIK Optik adalah salah satu cabang ilmu fisika yang menggambarkan kelakuan, sifat dan interaksi cahaya terhadap suatu materi. Kelakuan, sifat dan interaksi cahaya terhadap suatu materi misalnya adsorbsi, refleksi, transmisi dan lain-lain dengan memandang cahaya adalah gelombang elektromagnetik yang tidak memerlukan medium dalam perambatannya karena cahaya merupakan anugrah atau pemberian dari Allah SWT yang tiada tara sehingga banyak sekali manfaat jika kita gali terus-menerus tentang cahaya. Ilmu yang mempelajari tentang optik pada dasarnya bertujuan untuk memahami fenomena-fenomena fisika yang berkaitan dengan sifat-sifat cahaya dan interaksi cahaya terhadap suatu materi agar cahaya dapat direkayasa menjadi suatu teknologi yang canggih. Aplikasi yang luas dari ilmu "cahaya" untuk aplikasi dunia nyata, ilmu optik dan rekayasa optik cenderung sangat interdisipliner. Ilmu optik merupakan bagian dari berbagai disiplin terkait termasuk elektro, fisika, psikologi, kedokteran (khususnya optalmologi dan optometri), dan lain-lain. Selain itu, perilaku optik yang paling lengkap, seperti dijelaskan dalam fisika, tidak selalu rumit untuk kebanyakan masalah, jadi model sederhana dapat digunakan dalam penggambaran perilaku optik. Salah satu pemanfaatan atau terapan dari bidang optik yang akan dibahas pada tulisan ini adalah elektro optik. Elektro-optik adalah cabang ilmu bidang teknologi yang melibatkan komponen, alat, dan sistem yang bekerja dengan memodifikasi sifat optik dari suatu material dengan medan listrik. Sehingga ilmu ini mempelajari interaksi antara sifat elektromagnetisme dari optik dan sifat listrik (elektron) dari suatu benda. Elektro-optika memanfaatkan kombinasi antara sifat suatu material atau bahan elektro-optik dan medan listrik. Pemanfaatan kombinasi antara indeks bias bahan optic dan medan listrik listri k digunakan untuk mengubah indeks bias yang dimiliki oleh suatu bahan atau material optik. Indeks bias bahan atau material elektro-optik diubah dengan tujuan agar cahaya merasakan respon keluaran yang berbeda ketika cahaya datang dengan intensitas (Iinput) tertentu menuju material elektro-optik dan keluar dari material elektrooptik dengan respon cahaya yang berbeda dari kondisi awal (I output). Jadi tujuan utama digunakan elektro-optik adalah memodifikasi indeks bias dari suatu material elektro-optik karena setiap bahan mempunyai indeks bias yang berbeda-beda.
Electric Field E Light
Material Material elektro-optik elektro-optik
Respon cahaya yang diinginkan atau dikehendaki tergantung dengan tujuan kita untuk apa memodifikasi indeks bias bahan yang dimiliki oleh material elektro-optik salah satunya adalah switching-optic, adalah switching-optic, transmisi data di dalam serat optik, serat optik adalah saluran transmisi atau sejenis kabel yang terbuat dari kaca atau plastik yang sangat halus dan lebih kecil dari sehelai rambut, dan dapat digunakan untuk mentransmisikan sinyal cahaya dari suatu tempat ke tempat lain dan sebagainya. Indeks bias menjadi suatu permasalahan utama dalam kasus elektro-optik ini karena ketika cahaya dilewatkan pada suatu bahan, maka cahaya akan merasakan indeks bias bahan tersebut sehingga cahaya keluaran akan berbeda dengan cahaya datang atau kondisi awal cahaya tidak sama dengan kondisi akhir cahaya.
Efek elektro-optik adalah perubahan indeks bias dari suatu bahan optik yang disebabkan oleh pemberian medan listrik luar. Medan listrik eksternal yang diberikan harus pada frekuensi rendah dan medan listrik tersebut steady (kuat, tetap, dan konstan) agar cahaya keluaran sesuai dengan yang dikehendaki. Pemberian pengaruh medan listrik eksternal akan menyebabkan distribusi elektron dalam medium berubah. Distribusi elektron berubah dikarenakan adanya arus listrik yakni pergerakan elektron-elektron dari kutub negatif menuju kutub positif dari sumber tegangan mengalir melalui suatu titik dalam sirkuit listrik tiap satuan waktu yang dihubungkan pada bahan elektro-optik, Pergerakan elektron-elektron yang ditimbulkan oleh arus listrik akan menginduksi dipol-dipol magnetik di dalam bahan elektro-optik karena bahan elektro-optik tersusun atas molekul-molekul. Pergerakan elektron dari arus listrik ini menyebabkan distribusi elektron dalam medium berubah karena elektron-elektron ini masuk ke dalam medium dan mengakibatkan tidak meratanya kepadatan elektron pada atom di dalam medium, sehingga atom tersebut mempunyai satu sisi dipol dengan muatan lebih negatif dibandingkan sisi yang lain. Pergerakan ini menimbulkan dipol sesaat. Fenomena ini disebut dengan polarisabilitas. Jadi pemberian pengaruh medan eksternal pada medium optik menyebabkan distribusi electron dalam medium berubah sehingga polarisabilitas dan i ndeks bias medium berubah yang semula isotropic (zat yang memiliki sifat fisis yang sama di segala arah dari suatu zat) menjadi anisotropic. Alat elektro-optik terkait selain dengan perubahan sifat dari medium juga ditunjukkan dengan perubahan birefringence (perubahan indeks bias akibat perubahan polarisasi dan propagasi arah cahaya). Pada efek Kerr , perubahan birefringence adalah proporsional dengan kuadrat dari medan listrik, dan medium yang digunakan adalah cairan. Pada efek Pockels, perubahan birefringence bervariasi secara linear terhadap medan listrik, dan medium yang digunakan adalah kristal. Bahan non-kristalin, seperti polimer, semakin banyak digunakan untuk membuat material elektro-optika karena biaya produksi yang murah. Pockels efek (atau efek elektro-optik linier) adalah perubahan indeks bias berbanding lurus dengan medan listrik. Hanya padatan kristal tertentu menunjukkan efek pockels karena memerlukan kurangnya simetri inversi. Efek Kerr (atau efek elektro-optik kuadrat, QEO efek) adalah perubahan indeks bias sebanding dengan kuadrat dari medan listrik. Semua bahan menampilkan efek Kerr dengan besaran bervariasi, tetapi umunya jauh lebih lemah dari efek Pockels. Indeks bias dari medium elektro-optik sebagai fungsi medan listrik dapat dinyatakan dalam deret Taylor sebagai berikut : Rumus deret Taylor
:
′ ′′ ′′′ + 1! − + 2! − + 3! − + ⋯ ′0 ′′0 0+ 1! + 2! + ⋯
Untuk kasus a=0 deret Taylor menjadi
:
Berdasarkan rumus tersebut indeks bias medium elektro-optik sebagai fungsi medan listrik adalah sebagai berikut :
+ + 12 + ⋯
Untuk mendapatkan koefisien a1 dan a2, maka E harus sama dengan nol sehingga :
0 + × 0+ 12 × 0+⋯ 0 ( + + 1 + ⋯) 2 = =
Diferensiasikan terhadap E untuk mendapatkan koefisien a 1, a2, … sehingga
:
Jika koefisien-koefisien di atas diganti dengan koefisien baru yaitu :
− −
Maka persamaan tersebut menjadi
:
+ + 12 + ⋯ − − + ⋯
Di dalam banyak bahan suku ketiga dari persamaan tersebut diabaikan terhadap suku kedua, sehingga persamaan menjadi,
≅ −
Medium ini dikenal dengan Pockels Medium atau Pockels Cell. Koefisien disebut koefisien Pockels atau koefisien elektro-optik linier. Harga koefisien Pockels Cell ini antara 10-12 sampai dengan 10 -10 m/V. Kristal yang digunakan sebagai Pockels Cell adalah NH4H2PO4(ADP), KH2PO4(KDP) kristal kalium dideterium pospat, LiNbO 3 dan CdTe. Contoh bahan elektro-optik yang banyak digunakan sebagai material switching elektro-optik adalah Lithium Niobate (LiNbO3) atau kristal cair (liquid crystal ). Umumnya bahan-bahan tersebut dibuat dalam divais modulator fasa secara elektrik atau pelambat gelombang (wave retarder ), Mach-Zehnder interferometer dan directional coupler .
Untuk bahan centrosimetris seperti gas, cairan, dan kristal certain, nilai n(E) harus simetris sehingga koefisien berharga nol. Maka persamaan tersebut menjadi :
− 12 − 12 + ⋯ ≅ − + ⋯
Medium ini dikenal dengan K err Medium atau K err C ell. Koefisien disebut koefisien Kerr atau koefisien elektro-optik kuadratik. Harga dari berkisar antara 10-18 sampai dengan 10-14 m2/V2 untuk kristal dan 10 -22 sampai dengan 10 -19m2/V2 untuk cairan.
ELEKTRO-OPTIK MODULATOR Modulasi adalah proses perubahan (varying ) suatu gelombang periodik sehingga menjadikan suatu sinyal yang 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 berfrekuensi rendah) bisa dimasukkan ke dalam suatu gelombang pembawa, biasanya berupa gelombang sinyal berfrekuensi tinggi. Terdapat tiga parameter kunci pada suatu gelombang sinusoida yaitu: amplitudo, fase, dan frekuensi. Ketiga parameter tersebut dapat dimodifikasikan sesuai dengan sinyal informasi (berfrekuensi rendah) untuk membentuk sinyal yang termodulasi. Peralatan untuk melaksanakan proses modulasi disebut modulator, sedangkan peralatan untuk memperoleh informasi awal (kebalikan dari proses modulasi) disebut demodulator dan peralatan yang melaksanakan kedua proses tersebut disebut modem. Modulator optik berfungsi memodulasi cahaya dengan cara mengubah-ubah amplitudo, frekuensi, fasa, atau intensitas cahaya sehingga mampu membawa sinyalsinyal informasi. 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 (sumber cahaya) 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 elektro-optik, magneto-optik, dan akusto-optik.
Modulator eksternal elektro-optik adalah modulator yang memanfaatkan interaksi sinyal elektrik dengan media interaksi (medium). Interaksi yang terjadi pada elektro-optik ini adalah terjadinya perubahan indeks bias media interaksi akibat pengaruh medan elektrik yang diberikan kepada media interaksi tersebut. Jika medan elektrik diberikan kepada media interaksi (medium) 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 perubahnya 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. MODULATOR PHASE
Modulasi ini menggunakan perbedaan sudut ( phase) dari sinyal analog untuk membedakan kedua keadaan sinyal digital. Pada modulasi jenis ini, amplitudo dan frekuensi dari sinyal analog adalah tetap, yang berubah adalah phase sinyala analognya. Seberkas cahaya yang dilewatkan Cell Pockels dengan panjang L dan di bawah pengaruh medan listrik E akan memilik Fase sebesar :
2 ≅ − 2 2( − 12 ) 2 − − ;
Dengan mengaitkan kedua persamaan di atas diperoleh
:
Jika medan listrik didapatkan dari potensial listrik V dan Cell terpisah sejauh d maka
:
2 − − ; ℎ − V d Light
L
Parameter adalah tegangan listrik pada saat phasenya berubah sebesar . Parameter ini sangat penting sebagai karakteristik dari modulator. Nilainya tergantung pada property bahan (n dan ), panjang gelombang λ 0, dan rasio d/L.
MODULATOR MACH ZEHNDER DAN MODULATOR INTENSITAS
Mach-Zehnder merupakan jenis modulator eksternal elektro-optik, modulator ini bekerja mempengaruhi berkas cahaya yang melintas dengan meggunakan medan elektro magnetik tertentu yang dihasilkan oleh pulsa-pulsa listr ik. Atau dengan kata lain modulator ini bekerja berdasarkan prinsip perpaduan (interfering ) dua berkas cahaya koheren yang menghasilkan pola garis-garis cahaya ( fringe) sesuai dengan besarnya beda fase antara dua berkas cahaya tadi. Gambar di bawah 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 semipantul M1 dan M2: cermin pantul Sebuah sistem Mach-Zehnder interferometer seperti pada gambar, jika beam splitter membagi daya optic dengan sama, maka intensitas yang keluar dari salah satu port Io mempunyai hubungan dengan intensitas I i sebagai :
−
Dengan percabangan.
12 + 12 2
adalah beda fase antara cahaya yang melewati kedua
Beam splitter Ii
Branch 1
Io Light
Branch 2
V
Transmitasi interferometer dapat dinyatakan sebagai,
Karena
2 − − , (2 − 2 )
maka transmitansi sebagai fungsi tegangan V dapat
ditulis sebagai,
DISUSUN OLEH NAMA
: RIZKY FIRMANSYAH
NRP
: 1114100058