## Fabrikasi dan Karakterisasi Directional Coupler
Konfigurasi 3×3 Susunan Segitiga Berbahan Serat Optik Plastik Step Index Multimode Tipe FD-620-10
Ning Rosianah dan Gontjang Praji
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : gontjang@physics.its.ac.id
Abstrak—Dalam  penelitian  ini  telah  dilakukan  fabrikasi dan  karakterisasi  directional  coupler  konfigurasi  3×3 susunan  segitiga  berbahan  serat  optik  plastik  step  index multimode tipe FD-620-10 dengan panjang kupasan 35 mm, 40 mm, 45 mm, 50 mm, 55 mm, dan 60 mm menggunakan pendekatan  metode  Fused  Biconical  Tapered  (FBT).  Hasil karakterisasi directional coupler menggunakan BF5R-D1-N diperoleh  bahwa  panjang  kupasan  45  mm  dengan  input pada  port  A1  menunjukkan  nilai  coupling  ratio  CR  =  0,6; 0,2;  0,2  dan  excess  loss  Le  =  -7,76  dB,  pada  port  B1 menunjukkan  nilai  CR  =  0,2;  0,6;  0,2  dan  Le  =  -6,76  dB, pada  port  C1  menunjukkan  nilai  CR  =  0,2;  0,19;  0,61  dan Le = -6,75 dB. Directional coupler ini paling baik digunakan sebagai piranti dalam sensor.
Kata
Kunci—Directional Coupler,
Fabrikasi,
Karakterisasi, Segitiga.

## I. P ENDAHULUAN
erat  optik  merupakan  media  transmisi  atau  pandu gelombang cahaya berbentuk silinder yang dikembangkan  di  akhir  tahun  1960-an  dalam  sistem komunikasi yang semakin lama membutuhkan bandwidh yang  besar  dengan  laju  transmisi  yang  tinggi [1].  Pada umumnya,  serat  optik  terdiri  dari  tiga  bagian  yaitu  inti (core), kulit (cladding), dan jaket (coating). Berdasarkan struktur  dan  sifat  transmisinya,  serat  optik  dapat diklasifikasikan  menjadi  dua  yaitu  serat  optik  moda tunggal (singlemode) dan  serat  optik  moda  jamak (multimode) [2] . Berdasarkan  penjalaran  gelombang yang melalui inti, serat optik terbagi menjadi dua macam, yaitu serat optik step index dan serat optik graded index. Pada  dasarnya  cahaya  disebarkan  melalui core dengan cara pemantulan dalam total [3].
Dalam  perkembangannya,  serat  optik  tidak  hanya berfungsi  untuk  mentransmisikan  informasi  tetapi  juga berkembang  menjadi  piranti  optik  dengan  fungsi  yang lebih luas. Piranti optik tersebut dapat berbentuk coupler dengan  berbagai  macam  variasinya. Coupler merupakan piranti  optik  pasif  yang  berfungsi  sebagai  penggabung dua  atau  lebih  panjang  gelombang  atau  sinyal  menjadi dua  atau  lebih. Directional  coupler termasuk coupler yang  paling  dikembangkan.  Terdapat  beberapa  metode pembuatan directional  coupler berbahan  serat  optik plastik,  di  antaranya  metode fused  biconical  tapered (FBT), yaitu  dengan  menggabungkan  sejumlah  serat optik  pada  panjang  kopling  tertentu  sehingga  menjadi directional coupler dengan N- port [4].
Penelitian  mengenai directional  coupler di  Indonesia yaitu  fabrikasi directional  coupler konfigurasi  3×3  serat optik  plastik step  index  multimode tipe  FD-620-10 susunan  planar  dengan  metode fused  biconical  tapered (FBT). Dihasilkan directional  coupler dengan coupling ratio yang  paling  baik  sebesar  0,345  pada  panjang interaksi  kopling  60  mm  [5].  Pada  proses  fabrikasi directional  coupler 3×3,  terdapat  dua  tipe  struktur  yang sering digunakan, yaitu susunan segitiga dan planar [6].
Gambar 1. Dua Tipe Konfigurasi Coupler 3×3: (a) Segitiga dan (b) Planar [6]
Dalam  penelitian  ini, directional  coupler konfigurasi 3×3  difabrikasi  dengan  susunan  segitiga  menggunakan serat  optik  plastik step  index  multimode tipe  FD-620-10 dengan  pendekatan  metode fused  biconical  tapered (FBT) pada variasi panjang kupasan 35 mm, 40 mm, 45 mm,  50  mm,  55  mm,  dan  60  mm.  kemudian  dapat diketahui hasil karakterisasi directional coupler konfigurasi  3×3  susunan  segitiga  menggunakan  BF5R- D1-N.
Parameter-parameter  pokok directional  coupler antara lain:
Coupling  ratio (CR), yaitu  proporsi  daya  masukan  pada masing-masing keluaran [7].
𝐶𝑅 = 𝑃 𝐴2 (𝑃 𝐴2 +𝑃 𝐵2 +𝑃 𝐶2 ) (1)
Exceess loss (L e ), yaitu rugi daya total [7].
𝐿 𝑒 =  10 log ( ∑ 𝑃 𝑗 𝑝 𝑖 )  𝑑𝐵 =  10 log ( 𝑃 𝐴2 +𝑃 𝐵2 +𝑃 𝐶2 𝑃 𝐴1 )  𝑑𝐵 (2)

## II. M ETODOLOGI

## Tahap Fabrikasi
Prosedur  fabrikasi directional  coupler mengikuti langkah-langkah sebagai berikut:
1) Pemotongan serat optik
Serat  optik  dipotong  menggunakan  alat  pemotong sepanjang 20 cm sebanyak tiga buah.  Untuk memudahkan  identifikasi,  ketiga  serat  optik  diberi  label A, B, dan C.
S
2) Pengupasan coating dan cladding
Dengan  bantuan  alat  pengupas,  serat  optik  yang  akan dikupas  ditempatkan  di  tengah-tengah  bagian  alat tersebut  pada  keadaan  lurus  dan  sejajar,  kemudian ditempelkan  selotip  pada  kedua  ujung  agar  tidak  geser. Selanjutnya serat optik dikupas dengan panjang kupasan 35  mm,  40  mm,  45  mm,  50  mm,  55  mm,  dan  60  mm menggunakan cutter .
Gambar 2. Proses Pengupasan Coating
Selanjutnya,  serat  optik  diletakkan  pada  alat  pemoles. Seperti  pada  tahap  sebelumnya,  serat  optik  harus  pada keadaan lurus dan sejajar. Kemudian dengan menggunakan  ampelas,  serat  optik  digosok  searah. Ampelas  yang  digunakan  yaitu  dengan mesh 360,  1200, 1500,  dan  2000.  Selanjutnya  setiap  bagian  yang  dipoles dibersihkan menggunakan alkohol 70% dan dikeringkan.
Gambar 3. Proses Pemolesan

## 3) Uji kerataan
Serat  optik  yang  telah  dikupas  dan  dipoles  diuji kerataanya  untuk  mengetahui  hasil  dari  pengupasan  dan pemolesan  yang  telah  dilakukan.  Uji  kerataan  dilakukan dengan  cara  melihat  bagian  kupasan  serat  optik  pada setiap port dan  seluruh  variasi  panjang  kupasan. Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan Stereo Microscope #3 – Carl Zeiss Stemi DV4.
Gambar 4. Proses Uji Kerataan
Agar  dapat  diketahui  bagian  yang  belum  terkupas secara  sempurna,  maka  dilakukan  penyinaran  pada  serat optik  menggunakan  laser.  Pada  Gambar  5,  bagian  yang masih  terlihat  gelap  menandakan  bahwa  sinar  laser
belum  terhambur  keluar.  Oleh  sebab  itu,  pada  bagian tersebut dilakukan pemolesan ulang.
Gambar 5. Panjang Kupasan 45 mm Port A

## 4) Tahap Penggandengan
Penggandengan  dilakukan  dengan  cara  menggandeng ketiga serat optik pada bagian yang telah dikupas dengan cara  diikat  menggunakan  benang  jahit  sesuai  panjang kupasan. Tahap ini harus dilakukan dengan perlahan dan diusahakan ketiga bagian benar-benar matching.
Gambar 6. Tahap Penggandengan Directional Coupler

## Tahap Karakterisasi
Karakterisasi directional  coupler hasil  fabrikasi menggunakan  BF5R-D1-N.  Karakterisasi  ini  bertujuan untuk  memperoleh  nilai coupling  ratio  (CR) dan excess loss  (Le). Sensor  ini  merupakan  sensor  khusus  untuk menganalisis  daya  keluaran  yang  diterima  oleh  serat optik. Pengukuran dilakukan sebanyak 20 kali pengulangan pada masing-masing port.
Gambar 7. Set Up Alat pada Proses Karakterisasi Directional Coupler

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Pada  penelitian  ini, directional  coupler difabrikasi sebanyak  enam buah  dengan  susunan  segitiga. Fabrikasi directional  coupler konfigurasi  3×3  menggunakan metode fused biconical tapered (FBT) dilakukan dengan mengupas  tiga  serat  optik  dengan  panjang  kupasan  35 mm, 40 mm, 45 mm, 50 mm, 55 mm, dan 60 mm.
Gambar 8. Hasil Fabrikasi Directional Coupler
Pada  proses  fabrikasi directional  coupler konfigurasi 3×3  susunan  segitiga,  ketiga  serat  optik  dikupas  seluruh sisinya  pada  bagian coating hingga  menyisakan  bagian core .  Walaupun  ketiga  serat  optik  dikupas  seluruh bagian,  namun  intensitas  cahaya  yang  melewatinya berbeda.  Hal  ini  dikarenakan  cahaya  yang  terpandu  di dalam  serat  optik  lebih  dominan  melewati  sumbu  serat optik  daripada  melewati  tepinya.  Selain  itu,  faktor ketebalan serat optik sangat berpengaruh pada directional  coupler .  Proses  pemolesan  yang  tidak  sama antara  serat  optik  satu  dengan  lainnya  mengakibatkan acuan  untuk  mendapatkan  bagian core juga  berbeda antara  satu  dengan  lainnya.  Pemantulan  dalam  total belum  dapat  terjadi  secara  sempurna,  dikarenakan  tidak ada  pengganti  bagian cladding pada  daerah  selain kopling  yang  digandeng.  Sehingga  intensitas  cahaya yang  melewati port  input lebih  tinggi  daripada  dua port lain.
Gambar 9. Grafik Pengaruh Panjang Kupasan Terhadap Prosentase Intensitas Cahaya pada Tiap Output dengan Port A1 Sebagai Input
Pada Gambar 9, port A2 memiliki intensitas yang jauh lebih  tinggi  daripada port B2  dan  C2.  Hal  ini dikarenakan susunan directional coupler yang berbentuk segitiga.  Ketika  diberikan input pada port A1,  maka cahaya  akan  cenderung  melewati  sumbu  serat  optik  A2. Sedangkan  cahaya  yang  berpindah  ke port B2  dan  C2 memiliki  intensitas  dengan  selisih  yang  jauh  dari intensitas port A2.  Hal  ini  dikarenakan  adanya  celah kosong  atau gap yang  berada  di  tengah  kopling.  Serat optik  dikupas  pada  bagian coating dan cladding hingga tersisa  bagian core saja . Bagian core yang  terkupas  ini digabung  dengan core serat  optik  lainnya,  sehingga gap atau  celah  antar core yang  terbentuk  besar  pada  bagian tengah directional  coupler. Jika  dilihat  dari  penjalaran cahaya, directional coupler susunan segitiga ini memiliki lebar  lintasan  perambatan  cahaya  yang  sama.  Misalnya pada directional coupler dengan panjang kupasan 45 mm dengan port  input A1,  maka  moda  orde  tinggi  dari port input A1  akan  berpindah  ke  dua  sisi port  output yang lain,  B2  dan  C2  secara  hampir  sama.  Sedangkan  pada
port output A2 memiliki intensitas yang jauh lebih tinggi daripada port B2 dan C2. Hal ini dikarenakan moda orde rendah  tetap  terpandu  pada  serat  optik  awal.  Proses perpindahan  daya  gelombang  optik  ini  sesuai  dengan teori  moda  terkopel.  Kebocoran  gelombang  juga bertambah  besar  seiring  dengan  bertambahnya  panjang kupasan.  Semakin  besar  panjang  kupasan,  maka  nilai intensitas cahaya akan semakin kecil yang berarti bahwa rugi daya semakin bertambah besar.
Faktor  lain  yang  menyebabkan  rugi  daya  yang  besar adalah  daerah  antar core yang  berinteraksi  langsung  di dalam directional  coupler lebih  kecil  daripada  daerah yang  berinteraksi  langsung  dengan  benang  jahit.  Hal  ini menyebabkan  sebagian  besar  intensitas  cahaya  diserap oleh benang jahit atau terhambur keluar melewati celah- celah  benang  jahit.  Selain  itu,  pemantulan  dalam  total yang  terjadi  di  dalam directional  coupler juga  belum terjadi  secara  sempurna  sehingga  masih  terdapat  cahaya yang  terhambur  keluar.  Hal  ini  terjadi  pada  saat pemasangan  serat  optik  pada  BF5R-D1-N  kurang  tepat pada  saat  dilakukan  karakterisasi.  Pemasangan  serat optik pada BF5R-D1-N yang kurang tepat mengakibatkan  sudut  sinar  datang  kurang  dari  sudut kritis yang menyebabkan cahaya tidak hanya dipantulkan,  melainkan  juga  dibiaskan  keluar  dari directional coupler.
Hasil  fabrikasi directional  coupler konfigurasi  3×3 susunan segitiga memiliki loss atau rugi daya yang besar, hal  ini  dikarenakan  bagian core juga  terkupas  sehingga core tidak  lagi  berbentuk  silinder  utuh,  melainkan silinder  pipih.  Proses  ini  yang  menyebabkan  rugi  daya serat optik cukup besar. Perbedaan nilai intensitas cahaya dapat  menyebabkan  parameter-parameter directional coupler seperi CR ( coupling  ratio )  dan Le (e xcess  loss ) juga berbeda. Perbedaan nilai-nilai tersebut salah satunya disebabkan  oleh  ketidaksimetrian  sepanjang  daerah kupasan dan daerah ujung pengupasan antara ketiga serat optik  pada  saat  proses  pengupasan  dan  penggandengan. Ketidaksimetrian  terjadi  akibat  struktur  permukaan  serat optik  hasil  pengupasan  yang  tidak  rata  dan  ketebalan kupasan  yang berbeda  serta panjang  kupasan  yang  tidak sama  (dalam  orde  mikro)  untuk  tiap  serat  optik  yang digandeng.  Hal  ini  dikarenakan  daerah  kerja  pada  serat optik  dalam  orde  nano  (panjang  gelombang),  sedangkan fabrikasi  yang  dilakukan  secara  konvensional  dengan pengukuran menggunakan orde mili.
T ABEL 1. K ARAKTERISTIK D IRECTIONAL C OUPLER DENGAN P ANJANG K UPASAN 45 MM Input CR Le (dB) A1 0,60 -7,76 0,20 0,20 B1 0,20 -6,76 0,60 0,20 C1 0,20 -6,75 0,19 0,61
Nilai coupling  ratio (CR) directional  coupler yang ditampilkan  pada  Tabel  1  memperlihatkan  bahwa  nilai intensitas cahaya pada directional coupler terbagi rata di dua port keluaran  serat  optik  yang  lain  pada  panjang kupasan  45  mm.  Karakteristik directional  coupler panjang  kupasan  45  mm  dengan input pada port A1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 INT ENSI TAS CAH AYA (% ) PANJANG KUPASAN (MM) A2 B2 C2
B1
C1
menunjukkan nilai coupling ratio CR = 0,6; 0,2; 0,2 dan excess  loss Le  =  -7,76  dB,  pada port B1  menunjukkan nilai CR = 0,2; 0,6; 0,2 dan Le = -6,76 dB, pada port C1 menunjukkan  nilai  CR  =  0,2;  0,19;  0,61  dan  Le  =  -6,75 dB.  Dari  hasil  karakterisasi  menggunakan  BF5R-D1-N, dapat disimpulkan bahwa directional coupler konfigurasi 3×3  susunan  segitiga  pada  panjang  kupasan  45  mm paling baik digunakan sebagai piranti dalam sensor.

## IV. K ESIMPULAN
Dari  fabrikasi directional  coupler konfigurasi  3×3 susunan  segitiga  dengan  pendekatan  metode fused biconical  tapered (FBT) dan  hasil  karakterisasi menggunakan  BF5R-D1-N  yang  telah  dilakukan, menunjukkan  bahwa  panjang  kupasan  45  mm  dengan input pada port A1  memiliki  nilai coupling  ratio CR  = 0,60; 0,20; 0,20 dan excess loss Le = -7,76 dB, pada port B1 memiliki nilai CR = 0,20; 0,60; 0,20 dan Le =  -6,76 dB,  dan  pada port C1  memiliki  nilai  CR  =  0,20;  0,19; 0,61  dan  Le  =  -6,75  dB. Directional  coupler ini  paling baik digunakan sebagai piranti dalam sensor.
U CAPAN T ERIMA K ASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementerian  Riset  Teknologi  dan  Pendidikan  Tinggi Republik  Indonesia  yang  telah  memberikan  dukungan finansial melalui Beasiswa Bidikmisi tahun 2012-2017.

## D AFTAR P USTAKA
[1] Samian,  dkk.  2008.”Fabrikasi Directional  Coupler Serat  Optik Multimode”. Jurnal  Fisika  dan  Aplikasinya,  Vol.  4  No.  2 Surabaya.
[2] Keiser,  Gerd.  1991. Optical  Fiber  Communications  2 nd Edition. New York: McGraw-Hill.
[3] Leno dan Frank. 1993. Introduction to Optics 2 nd Edition. United States America: Prentice-Hall.
[4] Sekartedjo,  dkk.  2007. Study  of  Switching  Characteristics  in Directional Coupler. International Symposium of Modern Optics and  Its  Applications  (ISMOA),  Department  of  Physics  ITB August 6-10 2007, Bandung.
[5] Yaqin,  Mohammad  Ainul.  2015.  “Fabrikasi  dan  Karakterisasi Directional  Coupler Konfigurasi  3×3  Planar  Berbahan  Serat Optik  Plastik Step-Index Moda  Jamak  Tipe  FD-620-10”.  Jurnal Sains dan Seni POMITS, Vol. 1 No. 2 Surabaya.
[6] Fang, Zujie, et. all. 2012. Fundamentals of Optical Fiber Sensors.
New York: John Wiley & Sons.
[7] Crisp,  J.  2001. Introduction  to  Fiber  Optics  2 nd Edition. Oxford: Jordan Hill.