Kupas Tuntas Serat Kisi Bragg (Fiber Bragg Grating)

Serat kisi Bragg diterjemahkan dari frase bahasa Inggris yakni Fiber Bragg Grating atau disingkat dengan FBG. FBG ini banyak digunakan sebagai sensor, selain sebagai filter optik. Sensor sendiri didefinisikan sebagai peranti (device) yang mengukur suatu kuantitas fisis dan mengubahnya menjadi sinyal yang dapat dibaca oleh instrumen [1].

Bentuk fisik dari Serat Kisi Bragg (Fiber Bragg Grating)

Pada FBG, parameter fisis yang dapat diukur diantaranya adalah sebagai berikut:

Regangan mekanis (mechanical strain)
Temperatur
Kelembaban
Konsentrasi kimia
Gaya
Medan listrik
Medan magnetik
Indeks bias
Parameter fisis ini terus bertambah dan menjadi topik riset yang sangat menarik, misalnya ada peneliti yang menggunakan FBG sebagai sensor intensitas radiasi nuklir

Dikarenakan parameter fisis yang cukup luas tersebut, saat ini FBG banyak diteliti dan dikembangkan oleh ilmuwan Internasional, termasuk ilmuwan Indonesia. Hal ini terbukti ketika mengetikkan “Fiber Bragg Grating Sensor” pada situs sciencedirect.com, maka pertanggal 19 Desember 2019 terdapat 3.899 judul artikel riset (research article) dan jumlahnya relatif terus meningkat setiap tahun [2]. Jika dibandingkan dengan sepuluh tahun ke belakang, maka jumlah penelitian tentang sensor FBG meningkat sebanyak 4 kali lipat. Jika peningkatan ini bersifat sama untuk 10 tahun kedepan, maka di tahun 2029 akan ada 2.560 artikel riset tentang sensor FBG di situs sciencedirect.com saja. Padahal situs direktori artikel riset ada cukup banyak seperti IEEE, Springer, Nature, Science, dll.

Data ini diambil dari situs sciencedirect.com pada tanggal 19 Desember 2019

Dari semakin banyaknya riset tentang sensor FBG, mungkin timbul pertanyaan “Apa keistimewaan dari sensor FBG sehingga semakin banyak orang yang meneliti hal tersebut?”. Secara definitif, FBG adalah serat optik dengan indeks bias yang berubah secara periodik akibat kisi (grating) yang diletakkan dengan jarak tertentu. Pada umumnya, fiber optik yang didoping unsur germanium adalah bahan dasar dalam memfabrikasi FBG. Hal ini disebabkan oleh serat optik tersebut bersifat fotosensitif, yakni indeks bias dari inti dapat berubah dengan pemaparan sinar ultraviolet (UV) yang cukup besar/intens. Panjang gelombang UV yang digunakan untuk memfabrikasi FBG adalah 248 nm dan 193 nm. Dimana panjang gelombang 248 nm dihasilkan oleh laser KrF dan panjang gelombang 193 nm dihasilkan oleh laser ArF. Gambar berikut menunjukkan skema dari FBG, dimana FBG bertindak seperti penyaring (filter) optik yakni memantulkan panjang gelombang pusat atau panjang gelombang Bragg dan mentransmisikan sisanya.

Interpretasi diagram dari struktur FBG dan spektrum cahaya yang melewati FBG

Jika jarak antar kisinya bernilai sama atau seragam maka disebut dengan FBG seragam (uniform FBG), jika jarak kisinya lebih besar (lebih dari 100 μm) maka disebut dengan Long Period FBG, namun jika jaraknya seragam dan posisi kisinya miring maka disebut dengan tilted FBG. Terdapat FBG jenis lainnya seperti chirped FBG yang jarak antar kisinya semakin membesar, phase shifted FBG jika jarak antar kisinya dibuat agar dapat menggeser fase gelombang cahaya sebesar pi (π), superstructure FBG jika jarak antar kisinya memiliki pola tertentu. Perbedaan antara berbagai struktur FBG ini ditunjukkan oleh gambar berikut:

Jenis-jenis FBG berdasarkan struktur kisinya (a) Uniform (b) Long Period (c) Tilted (d) Chirped (e) Phase Shifted (f) Superstructure

Mengapa FBG dapat memantulkan panjang gelombang tertentu (disebut juga sebagai panjang gelombang Bragg) dan mentransmisikan/meneruskan panjang gelombang yang lain? Jawabannya adalah karena terdapat kisi/grating di dalam bagian inti seratnya. Kisi tersebut memiliki pola jarak yang periodik. Ketika cahaya mengenai bagian kisi tersebut, maka terjadilah hamburan yang disebut dengan efek Bragg. Panjang gelombang Bragg (λ_B) bergantung pada periode kisi (Ʌ) dan sifat pemanduan dari FBG tersebut seperti indeks bias efektif (n_eff). Secara matematis hal ini dirumuskan sebagai:

λ_B= 2n_effɅ

Kedua parameter tersebut (n_eff dan Ʌ) berhubungan secara proporsional dengan variabel fisis seperti temperatur (T), regangan (L), dan perubahan panjang gelombang (Δλ). Secara matematis, hubungan ini memiliki persamaan:

FBG bertindak sebagai sensor ketika perubahan parameter fisis tersebut dapat menggeser panjang gelombang Bragg (Δλ_B). Dibuat pertama kali oleh ilmuwan pada tahun 1978, adapun fitur-fitur dari sensor FBG diantaranya adalah:

Dapat diaplikasikan untuk mengukur cukup banyak fenomena fisis seperti yang telah dijelaskan sebelumnya (regangan mekanis, temperatur, kelembaban, konsentrasi, dan indeks bias)
Harganya relatif murah, 1 buah FBG memiliki harga Rp. 288.000 yang dapat Anda beli di toko online.
Akurasi dan sensititivitas yang tinggi
Mudah dimultipleksing
Pengukuran dapat dilakukan secara langsung (real time)
Rugi transmisi yang rendah (dapat digunakan hingga beberapa kilometer)
Waktu respon yang cepat
Aman digunakan pada lingkungan yang keras seperti lingkungan yang mudah meledak (explosive environment), temperatur tinggi (hingga 1000 derajat Celcius), digunakan dalam air atau bawah tanah hingga digunakan dalam daerah bencana
Luaran yang dihasilkan bersifat linier
Tidak terpengaruh interferensi medan elektromagnetik

Dengan fitur yang cukup banyak tersebut maka tidaklah mengherankan jika semakin banyak peneliti yang melakukan riset tentang penggunaan FBG sebagai sensor.

Lantas bagaimana prinsip kerja dari digunakannya FBG sebagai sensor? Prinsip kerja dari sensor FBG adalah pengukuran panjang gelombang Bragg yang dipantulkan, Dalam sistem sensor, FBG diletakkan di “tengah” atau pada posisi “proses”. Yang bertindak sebagai masukan adalah laser dan luarannya adalah spektrometer atau Optical Spectrum Analyzer (OSA). Parameter yang diukur oleh FBG tidak hanya panjang gelombang Bragg saja, melainkan dapat berupa lebar pita celah (Full Width Half Maximum atau FWHM), maupun daya optik.

Referensi:

[1] Daud, S. and Ali, J., 2018. Fibre Bragg grating and no-core fibre sensors. Springer.

[2] Sciencedirect.com https://www.sciencedirect.com/search/advanced?qs=fiber%20bragg%20grating%20sensor . Diakses pada 19 Desember 2019. [3] Raghuwanshi, S.K. and Srivastav, A., 2017. Review of microwave photonics technique to generate the microwave signal by using photonics technology. Journal of Optical Communications, 39(1), pp.25-35.