## Sensor Fiber Optik Dari Bahan Fiber Optik Polimer Untuk Pengukuran Refractive Index Larutan Gula

## Nila Wulan Sari, Ahmad Marzuki, Riyatun
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret. Jl. Ir. Sutami 36A Surakarta. E-mail: wulansarinila@yahoo.co.id
Received 29-02-2012, Revised 20-04-2012, Accepted 25-04-2012, Published 30-04-2012

## ABSTRACT
This  paper  presents  an  experimental  result  on  developing  an  optical  fiber  sensor  for measuring refractive index of sugar solution. Sensor was developed using polymer optical fiber with diameter of 3 mm. This sensor is working based on intensity modulation due to reflection. Light coming out from the transmitter optical fiber is reflected by a mirror to the receiver  optical  fiber.  Due  to  the  variation  of  sugar  concentration  in  solution  surrounding this sensor, the way of light entering the fiber receiver depends on the sugar concentration (numerical  aperture).  It  is  clear  from  the  experiment  that  light  intensity  detected  by photodetector  (represented  by  electric  voltage)  is  linearly  dependent  (R 2 =  0.987)  on  the variation of sugar solution refractive index.
Keywords: Fiber Optic Sensors, Sensor refractive index, fiber optics, refractive index

## ABSTRAK
Paper  ini  membahas  tentang  hasil-hasil  experiment  yang  berkaitan  pengembangan  fiber optik  sensor  untuk  pengukuran  refractive  indeks  larutan  gula.  Sensor  dibuat  dengan menggunakan  fiber  optik  polimer  berdiameter  3  mm.  Sensor  bekerja  atas  dasar  modulasi intensitas  cahaya  karena  pemantulan.  Cahaya  keluar  dari  fiber  pentransmisi  kemudian dipantulkan oleh cermin dan masuk ke dalam fiber penerima. Besar  intensitas cahaya yang masuk ke fiber penerima sangat bergantung pada konsentrasi gula (sudut penerimaan). Dari experimen  tampak  bahwa  konsentrasi  gula  berhubungan  secara  linear  terhadap  index biasnya (R 2 = 0.987).

## PENDAHULUAN
Indeks bias merupakan salah satu sifat optik yang banyak digunakan untuk mencirikan keadaan suatu  material  transparan. Refractive index suatu  material  pada  suatu  panjang gelombang  tertentu  akan  mengalami  perubahan  bila  komposisi  material  tersebut mengalami  perubahan.  Beberapa  industri  karenanya  menggunakan  ukuran  refractive index dalam penetapan kualitas produk solid atau liquid transparannya.
Beberapa  metode  telah  dikembangkan  untuk  mengukur  indeks  bias  suatu  bahan. Beberapa  diantaranya  adalah  metode  interferometri  (interferometri  Mach-Zender, interferometri  Fabry-Perot  dan  interferometri  Michelson) [12,3] dan  sudut  Brewster [4] . Metode-metode ini merupakan metode yang sangat akurat untuk mengukur indeks bias. Kelemahan  dari  metode  ini  adalah  pengoperasian  alatnya  rumit  dan  membutuhkan waktu  yang  lama.    Karena  alasan  ini  metode  pengukuran  refractive  index  dengan menggunakan  ABBE  refractometer  banyak  dipakai  orang.  Dibandingkan  dengan
metode  interferometric  ataupun  sudut  Brewster,  pengukuran  dengan  ABBE refractometer dapat dilakukan dengan cara lebih cepat dan mudah. Masalah dengan alat ukur  ini  adalah  karena  ukurannya,  alat  ini  tidak  memungkinkan  pengukuran  refractive index suatu material yang akses untuk mengambilnya tidak mudah ataupun memerlukan pengukuran yang menerus. Sensor refractive index berbasis fiber optik [5,6] yang saat ini banyak diteliti orang dikembangkan antara lain untuk mengatasi masalah di atas. Fiber sensor  yang  dikembangkan  dalam  penelitian  ini  didesain  dengan  menggunakan  fiber optik  berdiameter  core  3  mm  dan  bekerja  atas  dasar  perubahan  numerical  aperture karena material yang melingkunginya berubah.

## METODOLOGI PENELITIAN
Gambar 1 adalah desain experiment fiber sensor berbasis fiber optik berdiameter 3 mm yang bekerja atas dasar perubahan numerical aperture dari fiber saat konsentrasi larutan gula yang melingkunginya berubah. Dalam experiment ini larutan gula yang digunakan adalah  konsentrasi  1  molar,  2  molar,  3  molar,  4  molar,  dan  5  molar.  Salah  satu  ujung dari untai fiber optik yang ujung-ujungnya telah dipolish digandeng sedemikian hingga tampang lintang dari ujung-ujung yang tergandeng ini ada dalam satu bidang datar. Dua ujung  fiber  tergandeng  ini  kemudian  dimasukkan  dalam  larutan  gula  dengan  posisi tampang lintang fiber
Gambar 1. Setup experimen fiber sensor untuk mengukur refraktif indeks larutan gula.
pentransmisi cahaya keluar dalam larutan gula, sudut pancar cahaya yang keluar dari fiber transmitter menuju ke cermin akan berbeda tergantung pada konsentrasi larutan gula yang melingkunginya.  Banyak  cahaya  yang  terpantul  dari  cermin  dan  masuk  ke  fiber  receiver juga  berbeda.  Dalam  experiment  ini  cahaya  dari  receiver  ini  ditangkap  oleh  fotodetektor dan  hasilnya  terbaca  oleh  osiloskop  sebagai  perbedaan  tegangan  listrik.  Untuk  menjamin bahwa perubahan intensitas cahaya yang diterima receiver hanya timbul karena perubahan konsentrasi  larutan  gula  bukan  karena  perubahan  intensitas  cahaya  sumber  maka  cahaya yang keluar dari sumber cahaya dipecah menjadi dua jalur: jalur cahaya referensi menuju detector  2)  dan  jalur  cahaya  yang  akan  dimodulasi  (menuju  larutan  gula).  Tugas pemecahan  ini  dilakukan  oleh  fiber  splitter  50:50.    Perubahan  intensitas  cahaya  karena perubahan  konsentrasi  larutan  gula  kemudian  direpresentasikan  oleh  perbadingan  antara tegangan listrik yang muncul sebagai akibat ditangkapnya cahaya dari larutan gula dengan cahaya dari fiber referensi seperti diberikan oleh:
f Mod l V V V Re Re  (1)
Dengan  V Mod dan  V Ref secara  berurutan  adalah  tegangan  puncak  ke  puncak  dari  yang ditunjukkan osiloskop dari jalur detketor 1 dan 2.

## ANALISA
Gambar  2  adalah  hasil  pengukuran  tegangan  (yang  merepresentasikan  intensitas  cahaya yang keluar dari fiber optik receiver) sebagai fungsi dari jarak antara cermin dengan fiber optik untuk larutan gula dengan konsentrasi 1 molar. Kurva serupa juga telah didapat untuk konsentrasi  gula  yang  lain.  Terlihat  dari  gambar  ini  bahwa  pengulangan  pengukuran tegangan melawan jarak pergeseran cermin menghasilkan menghasilkan curva yang sayap kanan atau kiri dari satu grafik tidak berimpit dengan grafik yang lain. Satu hal yang pasti adalah  puncak  dari  masing-masing  grafik  terletak  pada  jarak  pergeseran  yang  tertentu. Bentuk  kurva  yang  demikian  adalah  tipikal  kurva  hubungan  antara  tegangan/intensitas cahaya keluaran dengan jarak/pergeseran cermin relative terhadap ujung fiber [7,8] . Bentuk demikian akan dengan mudah diterangkan dengan menggunakan Gambar 3.
Gambar 2 . Hasil grafik hubungan antara jarak dan tegangan untuk larutan gula 1 molar.
Ketika  cermin  mulai  digeser  menjauh  dari  gandengan  ujung  transmitter  dan  receiver, receiver  hanya  menangkap  sebagian  kecil  cahaya  dari  transmitter  (Gambar  3.a).  Porsi cahaya  yang  ditangkap  receiver  ini  akan  naik  seiring  dengan  meningkatkanya  jarak cermin-ujung fiber. Kenaikan ini akan berhenti pada suatu jarak dimana semua cahaya dari fiber  transmitter  masuk  ke  dalam  fiber  receiver  (Gambar  3.b).  Bila  pergeseran  ini dilanjutkan,  porsi  intensitas  cahaya  dari  transmitter  yang  masuk  ke  receiver  menjadi berkurang  (Gambar  3.c).  Hal  penting  yang  perlu  dicatat  di  sini  adalah  bahwa  arah  sinar dari fiber transmitter yang tergambar hanya merepresentasikan arah berkas sinar untuk satu mode waveguide  pada arah yang dapat ditangkap fiber receiver. Gambar 2 muncul sebagai jumlahan dari semua berkas cahaya dari semua mode waveguide yang ditangkap oleh fiber receiver.
(a) (b) (c)
Gambar 3. Model untuk menerangkan bentuk grafik hubungan antara intensitas cahaya yang ditangkap fiber receiver untuk (a) sayap kiri, (b) puncak grafik dan (c) sayap kanan
Bila  experiment  ini  dilanjutkan  pada  larutan  gula  dengan  konsentrasi  yang  lain,  bentuk grafik  serupa  juga  diperoleh.  Pengulangan  pengukuran  tidak  dapat  memberikan  kurva sayap  kiri  atau  kanan  dari  satu  grafik  berimpit  dengan  grafik  yang  lain.  Sama  seperti Gambar  2,  posisi  puncak  dari  semua  grafik  hasil  pengulangan  adalah  sama.  Yang membedakan  antara  grafik  satu  konsentrasi  gula  dengan  yang  lain  adalah  posisi puncaknya.  Tabel  1  menunjukkan  hubungan  antara  posisi  puncak  grafik  pergeseran- tegangan  keluaran  dengan  konsentrasi  larutan  gula.  Terlihat  dari  tabel  ini  bahwa  posisi puncak grafik akan semakin besar ketika nilai konsentrasi gula meningkat. Hasil ini dapat terjadi karena refractive index larutan gula akan naik ketika konsentrasi larutan juga naik. Sesuai persamaan:
2 2 2 1 0 sin n n n NA m    
(2)
Dengan NA adalah  numerical  aperture,  adalah  sudut  penerimaan  cahaya  oleh  fiber  optik, dan n 0 , n 1 , n 2 secara  berutan  masing-masing  adalah  index  bias  larutan  gula,  core  dan cladding fiber optik. Jelas terlihat dari persamaan (2) bahwa ketika index bias dari larutan gula  naik,  sudut  penerimaan  θ m akan  turun.  Ini  berarti  bahwa  posisi  puncak  yang bersesuaian  proses  pada  skema  gambar  3.b  akan  semakin  besar  (jarak  antara  cermin dengan ujung fiber semakin jauh).
Tabel 1. Indeks bias larutan garam dan gula diambil pada λ= 630 nm konsentrasi ( M ) indek bias (mm) 1,0 1,357 6,6 1,5 1,368 6,8 2,0 1,377 7,0 2,5 1,385 7,2 3,0 1,390 7,4 4,0 1,405 7,6 5,0 1,416 7,8
Berikutnya,  bila  untuk  tiap  konsentrasi  gula  diukur  refractive  indexnya  dengan  alat  ukur refractive  index  standar  (dalam  penelitian  ini  dipakai  ABBE  refractometer)  maka  dapat dibuat  hubungan  antara  posisi  puncak  grafik  dengan  index  bias  larutan  gula  (Gambar  4). Terlihat  jelas  dari  gambar  ini  index  bias  larutan  gula  naik  secara  linear  (R 2 =  0,987) terhadap posisi puncak grafik tegangan-jarak cermin dengan ujung fiber. Perubahan index bias  yang  kecil  dapat  memberikan  perubahan  posisi  puncak  yang  besar  (sensitivitas  = 1:0,047 =21,277). Melihat hasil-hasil ini, rekomendasi yang dapat diberikan adalah sensor refractive index larutan gula (dapat dikembangkan ke bahan cair lain) dapat dikembangkan dari fiber optik polimer dengan diameter 3 mm.
Gambar 4 . Hubungan indeks bias dengan posisi puncak.

## KESIMPULAN
Desain  eksperimen  untuk  menggunakan  fiber  optik  polimer  berdiameter  3  mm  sebagai sensor  refractive  index  telah  dibuat.  Parameter  yang  digunakan  untuk  mencirikan perbedaan  refractive  index  dari  larutan  gula  adalah  posisi  puncak  grafik  atau  intensitas maximum dari cahaya yang diterima oleh fiber receiver ketika posisi relative ujung-ujung
y = 0.0471x + 1.046 R² = 0.9871 1.347 1.367 1.387 1.407 1.427 6.5 7.0 7.5 8.0 in d e ks b ias l ar u tan gu la posisi puncak (mm)
fiber terhadap cermin berubah. Posisi puncak ini berubah secara linear terhadap perubahan index bias larutan gula. Dengan R 2 = 0,978 dan sensitivitas 21,277 maka fiber sensor dari fiber optik polimer 3 mm merupakan fiber sensor baru yang layak mendapat perhatian.

## DAFTAR PUSTAKA
1 Musso,  M.,  Aschauer,  R.,  Senbaum,  A.,  Vasi,  C.,  Wilhelm,  E.,  2000, Interferometric Determination  of  the  Refractive  index  of  Liquid  Sulphur  Dioxide,  J.  Measurement Science & Technology, Vol. 11, pp. 1714-1720.
2 Santiago Neto, RB.,  Mendonca, F,  Lesche, B., 2004, Determination of Absolute Values of  Refractive  Index  of  Liquids  Using  an  Interferometric  Method, Revista  de  Fısica Aplicada e Instrumentacao, vol. 17, no. 2.
3 Macovez, R.,  Mariano, M., Finizio, SD.,  and Martorell, J., 2009, Measurement of the Dispersion  of  Aand  of  Refractive  Index  Anomalies  by  Wavelength  Dependent  Non- linear Interferometry, J. Optics Express, Vol. 17, No. 16.
4 Bahrim,  C.  and  Hsu,  WT.,  2009, Precise  Measurements  of  the  Refractive  Indices  for Dielectrics  Using  an  Improved  Brewster  Angle  Method,  American  Journal  of  Physics, Volume 77, Issue 4, pp. 337
5 Kulkarni,  V.K.,    Lalasangi,  AS.,  Pattanashetti,  II.,    Raikar,  US.,  2006, Fiber  Optic Micro-displacement Sensor Using Coupler, J. Optoelectronics and Advanced Materials Vol. 8, No. 4,  p. 1610 – 1612.
6 Culeac, IP, Nistor, IH., Iovu, MS., 2009, Fiber optic method for measuring the intensity of  IR  radiation,  J.  Optoelectronics  and  Advanced  Materials, Vol.  11,  No.  4,,  p.  380  – 385.
7 Argh,  B.,  Mukherjee,  S.,  Kumar,  R.,  2007, Fiber  Optic  Sensing  of  Liquid  Refractive Index, J. Sensors and Actuators B 123 (2007) 594–605.
8 Gobi, G., Raj, SG., Sastikumar, D., 2009, Measurement of Refractive Index of Liquids Using Fiber Optic Displacement Sensors. J. American Science 2009:5(2) 13-17.