fabrikasi dan karakterisasi pandu gelombang … · iv pernyataan keaslian dan persyaratan publikasi...
TRANSCRIPT
-
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
CORE Metadata, citation and similar papers at core.ac.uk
Provided by Sebelas Maret Institutional Repository
https://core.ac.uk/display/211774506?utm_source=pdf&utm_medium=banner&utm_campaign=pdf-decoration-v1
-
ii
-
iii
-
iv
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.
2. Publikasi sebagian atau keseluruhan isi Tesis pada jurnal atau forum ilmiah harus
menyertakan tim promotor sebagai author dan PPs UNS sebagai institusinya.
Apabila saya melakukan pelanggaran dari ketentuan publikasi ini, maka saya
bersedia mendapatkan sanksi akademik yang berlaku.
Surakarta,
Mahasiswa
Muchlas Yulianto
(S911508008)
-
v
-
vi
MOTTO
Wama indallahi khoir
(Apa yang disisi Allah SWT lebih baik)
-
vii
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
-
viii
KATA PENGANTAR
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.
-
ix
-
x
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 AgNO3–KNO3 sehingga terjadi proses pendifusian. Perbandingan molar garam
AgNO3–KNO3 yang digunakan adalah (3:7 mol %). Kaca soda-lime yang digunakan
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
terbentuk pada suhu 315oC 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
tinggi. Jumlah mode gelombang yang dimiliki kaca pada suhu pendifusian 315oC dan
variasi waktu 400 pada sudut kritis 41 derajat adalah 13 pola bright spot. Selain itu, pada
suhu pendifusian 315oC 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.
-
xi
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 the
soda-lime glass and Ag+/K+ ions from molten salt AgNO3–KNO3. The molar ratio of
AgNO3–KNO3 used is 3:7. The duration of ion-exchanged has been varied in the range of 25,
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
from the primary level energy to a level high energy. In addition, at 315oC diffusing
temperature and 400 minutes time of diffusion also able to produce a refractive index
change of 0.005. The number of modes that the glass has at the 315oC diffusing
temperature and 400 time of diffusion is 13 bright spot patterns and have a critical angle
41 degree. In addition, at 315oC 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.
-
xii
DAFTAR ISI
Halaman
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 ................................................................................. 1
A. Latar Belakang Masalah ................................................................... 1
B. Rumusan Masalah ............................................................................ 4
C. Tujuan Penelitian .............................................................................. 4
D. Batasan Masalah ............................................................................... 5
E. Manfaat Penelitian ............................................................................ 5
BAB II DASAR TEORI .................................................................................... 6
A. Tinjauan Pustaka .............................................................................. 6
1. Pandu Gelombang Planar (Planar Waveguide).......................... 6
a. Profil Indeks Bias ................................................................. 9
b. Perambatan Pandu Gelombang Planar ................................. 11
c. Mode Gelombang ................................................................. 12
2. Metode Pertukaran Ion (Ion-Exchange) ..................................... 15
a. Kaca ...................................................................................... 15
b. Proses Pertukaran Ion ........................................................... 17
c. Persamaan Difusi Ionik ........................................................ 20
-
xiii
1) Hukum Fick I ................................................................. 20
2) Hukum Fick II ................................................................ 21
3. Metode Prisma Kopling dengan M-Line Tecnique .................... 23
4. Medan Evanescent ...................................................................... 25
5. Reflektansi dan Transmitansi ..................................................... 26
6. Spektrum Absorpsi dan Transmitansi ........................................ 27
B. Kerangka Berpikir ............................................................................ 30
C. Hipotesis ........................................................................................... 31
BAB III METODE PENELITIAN .................................................................... 32
A. Tempat dan Waktu Penelitian .......................................................... 32
B. Alat dan Bahan Penelitian ................................................................ 32
1. Alat yang Digunakan .................................................................. 32
2. Bahan yang Digunakan .............................................................. 33
3. Software ..................................................................................... 33
C. Tatalaksana Penelitian ...................................................................... 34
1. Persiapan Alat dan Bahan........................................................... 35
2. Fabrikasi Pandu Gelombang Planar ........................................... 35
3. Pembersihan Kaca Pandu Gelombang ....................................... 36
4. Karakterisasi Kaca Pandu Gelombang Planar ............................ 37
D. Analisa dan Kesimpulan ................................................................... 39
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN .................................. 40
A. Hasil Penelitian dan Pembahasan ..................................................... 40
1. Kaca Hasil Fabrikasi .................................................................. 40
2. Indeks Bias Kaca Pandu Gelombang ........................................ 42
3. Pengukuran Transmitansi ........................................................... 45
4. Pola Bright Spot ......................................................................... 48
5. Jumlah Mode Gelombang .......................................................... 49
6. Kedalaman Lapisan Tipis Pandu Gelombang ............................ 53
7. Profil Indeks Bias terhadap Kedalaman Lapisan Tipis .............. 54
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN.............................................................. 58
-
xiv
A. Kesimpulan ....................................................................................... 58
B. Saran ................................................................................................. 58
DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xvi
DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................... xvii
DAFTAR SINGKATAN .................................................................................... xix
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
-
xv
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
pada suhu 315oC.................................................................................. 42
Tabel 4.2. Hasil pengukuran indeks bias kaca soda-lime hasil pendifusian
pada suhu 350oC.................................................................................. 43
Tabel 4.3. Perubahan jumlah mode gelombang terhadap variasi waktu,
suhu, dan konsentrasi pendifusian untuk λ = 632,8 nm ...................... 49
Tabel 4.4. Kedalaman lapisan tipis pada kaca pandu gelombang ........................ 53
Tabel 4.5. Koefisien difusi lapisan tipis pada suhu pendifusian 315oC dan 350oC 54
-
xvi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Pandu gelombang optik: (a) slab, (b) strip, (c) fiber ....................... 6
Gambar 2.2. Skema pandu gelombang planar ...................................................... 7
Gambar 2.3. Profil indeks bias step index pandu gelombang ............................... 8
Gambar 2.4. Profil indeks bias graded index pandu gelombang .......................... 8
Gambar 2.5. Pemantulan dan pembiasan.............................................................. 11
Gambar 2.6. Pemantulan internal sempurna ........................................................ 12
Gambar 2.7. Mekanisme perambatan pandu gelombang ..................................... 12
Gambar 2.8. Pola mode melintang dalam pandu gelombang ............................... 13
Gambar 2.9. Ilustrasi skematik dua dimensi pada susunan atom ......................... 16
Gambar 2.10. Gambar dua dimensi struktur kaca soda-lime ............................... 17
Gambar 2.11. Prinsip pertukaran ion Na+ yang digantikan ion Ag+ ..................... 17
Gambar 2.12. Temperatur dan komposisi diagram fasa AgNO3–KNO3 .............. 18
Gambar 2.13. Substrat sebelum dan setelah pertukaran ion ................................. 18
Gambar 2.14. Skema ilustrasi Hukum Fick I ....................................................... 21
Gambar 2.15. Diagram pergeseran pola bright spot ............................................. 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 ............................................... 29
Gambar 2.22. Prinsip pertukaran ion Na+ yang digantikan ion Ag+/K+ pada kaca 30
Gambar 3.1. Skema penelitian fabrikasi pandu gelombang planar ...................... 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 315oC .................. 45
-
xvii
Gambar 4.5. Grafik transmitansi hasil pendifusian pada suhu 350oC .................. 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 315oC ...... 50
Gambar 4.8. Perubahan pola bright spot terhadap sudut datang suhu 350oC ...... 51
Gambar 4.9. Grafik hubungan antara jumlah mode gelombang dan waktu pendifusian 52
Gambar 4.10. Perubahan indeks bias terhadap kedalaman difusi, suhu 315oC .... 54
Gambar 4.11. Perubahan indeks bias terhadap kedalaman difusi, suhu 350oC .... 55
-
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Perhitungan konsentrasi ...................................................................
Lampiran 2. Hasil fabrikasi pandu gelombang planar ..........................................
Lampiran 3. Nilai transmitansi lapisan tipis .........................................................
Lampiran 4. Perubahan pola bright spot ..............................................................
Lampiran 5. Kedalaman lapisan tipis ...................................................................
Lampiran 6. Perubahan indeks bias terhadap kedalaman lapisan tipis.................
Lampiran 7. Koefisien difusi lapisan tipis ............................................................
Lampiran 8. Sudut kritis .......................................................................................
Lampiran 9. Tabel error function .........................................................................
-
xix
DAFTAR SIMBOL
Simbol Arti Satuan
𝜃1 = Sudut sinar datang dengan garis normal Radian atau Derajat 𝜃2 = Sudut sinar bias dengan garis normal Radian atau Derajat 𝜃𝑐 = Sudut kritis Radian atau Derajat 𝐼𝑖 = Intensitas cahaya datang – 𝐼𝑟 = Intesitas cahaya yang dipantulkan – 𝐼𝑡 = Intesitas cahaya yang dibiaskan – 𝑛𝑓 = Indeks bias lapisan tpis – 𝑛𝑠 = Indeks bias kaca –
𝑛𝑐 = Indeks bias udara –
𝑐 = Konstanta kecepatan cahaya 3𝑥108𝑚 𝑠⁄ 𝜆 = Panjang gelombang 𝑚 𝜋 = 3,14 Radian ∆𝜑 = Pergeseran fase perjalanan sinar – 𝑁𝐴 = Numerical aperture – 𝑑 = Kedalaman lapisan tipis 𝜇𝑚
rA = Jari-jari ion atom A Å rB = Jari-jari ion atom B Å αA = Polarisabilitas atom A Å3 αB = Polarisabilitas atom B Å3 𝐴+ = Ion pendifusi – 𝐵+ = Ion terdifusi – 𝐷𝐴 = Koefisien difusi dari ion 𝐴 m
2/s
𝐷𝐵 = Koefisien difusi dari ion 𝐵 m2/s
𝐶𝐴 = Fraksi konsenterasi dari ion 𝐴 kg/m3
𝐶𝐵 = Fraksi konsenterasi dari ion 𝐵 kg/m3
𝐶𝑥 = Konsentrasi atom pendifusi pada kedalaman x
dan waktu t kg/m3
𝐶𝑠 = Konsentrasi atom pendifusi di permukaan
material kg/m3
𝐷0 = Koefisien preeksponensial difusi m2/s
𝑄𝑑 = Energi aktivasi difusi J/mol 𝑅 = Konstanta gas ideal 8,31 J/mol K 𝑇 = Suhu K 𝛿 = Sudut datang dalam prisma Derajat 𝐼0 = Intensitas sinar masuk 𝑊𝑚
−2
𝐼𝑡 = Intensitas sinar yang diteruskan 𝑊𝑚−2
𝑇 = Transmitansi %
-
xx
𝛼 = Koefisien absorbsi – 𝐴 = Absorbansi %
sin 𝜃 = Sudut pola interferensi terhadap terang pusat Radian atau derajat M = Jumlah mode gelombang –