Kajian Rugi-Rugi Akibat Macrobending pada Serat Optik Plastik Berbasis PC
Egyn Furqon Ghozali, Mohtar Yunianto, Nuryani
Laboratorium Optik dan Photonik Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret, Surakarta egyn.furqon.g@gmail.com
Received 30-05-2013, Revised 25-08-2013, Accepted 18-09-2013, Published 30-04-2014

## ABSTRACT
Experimental  study  to  analyze  the  effect  of  macrobending  losses  in  plastic  optical  fiber  triple  bending model  based  on  PC  (personal  computer)  has  been  conducted.  The  data  is  gathered  by  measuring  the change of the light intensity due to the presence of bending on optical fibers. The bending causes losses of optical fiber that is read by WIM (weight in motion) Acquisition program based on Borlan Delphi 7. The optical fibers are plastic with diameter of 3 mm. The diameter of pin is 8 mm and the space between the pin is 5 mm. The light source is a LED ( λ =676 nm). As a result, the losses of optical fiber increase with the enhancement of bending. The increase trend linear to sensitivity of the sensor with gradient of 0,1063 and R 2 of 0,9626. Therefore, the proposed design might be applied as a WIM sensor.
Keyword : Plastic Optical Fiber, macrobending, WIM sensor

## ABSTRAK
Kajian  secara  eksperimental  untuk  menganalisa  rugi-rugi  akibat macrobending pada  serat  optik plastik model triple  bending berbasis  PC  telah  dilakukan.  Pengambilan  data  dilakukan  dengan  mengukur perubahan  nilai  intensitas  cahaya  akibat  adanya  gejala  bengkokan  ( bendin g)  pada  serat  optik  yang menimbulkan gejala rugi-rugi serat optik yang terbaca pada program aplikasi WIM Acquisition berbasis Borlan Delphi 7 . Serat optik yang digunakan adalah fiber optik plastik berdiameter 3 mm, diameter pin 8 mm,  jarak  antar  pin  5  mm  dan  sumber  cahaya  berupa  LED  ( λ =676  nm).  Berdasarkan  hasil  penelitian diperoleh  bahwa  semakin  besar bending yang  diberikan  maka  semakin  besar  pula  nilai  rugi-rugi  serat optik, dimana diperoleh trend grafik yang linier dengan nilai sensitifitas dari sensor sebesar m = 0,1063 dan validitas data R 2 = 0,974, sehingga disimpulkan rancangan sensor alat yang dibuat berpotensi untuk dapat diaplikasikan sebagai sensor Weigth in Motion .
Kata kunci : Serat optik plastik, macrobending , sensor WIM

## PENDAHULUAN
Kemajuan  teknologi  polimer  terbaru  memungkinkan  pengenalan  fiber  optik  plastik  dalam desain  sensor.  Keuntungan  dari  metrologi  optik  dengan  fiber  optik  plastik  telah  menarik perhatian dari masyarakat ilmiah, karena mereka memungkinkan pengembangan sistem biaya rendah  atau  biaya  kompetitif  dibandingkan  dengan  teknologi  konvensional.  Penelitian  awal pada  sensor  fiber  optik  berbasis  teknologi  dipublikasikan  di  tahun  70-an  dan  yang  pertama terkait dengan medis dan industri endoskopi fiber optik. Sensor serat optik memiliki beberapa fitur  menguntungkan,  antara  lain  adalah compact ,  ringan  dan  mudah  diintegrasikan  dengan jaringan  serat  optik  yang  ada.  Produksi  sensor  fiber  optik  dengan  biaya  rendah  masih menuntut dibandingkan  dengan  teknologi  konvensional. Plastic atau Polimer  Optical  Fiber (POF) dapat memenuhi harapan untuk produksi sensor fiber optik tersebut [1] .
Cahaya  yang  merambat  di  dalam  kabel  fiber  optik  dapat  keluar  dari  fiber  ketika  kabel tersebut melengkung dengan jari-jari lengkungan cukup kecil. Kerugian ini dipengaruhi oleh jari-jari bengkokan [2] . Akibatnya, daya optis yang keluar dari ujung fiber, yang diterima oleh detektor  cahaya  akan  berkurang  akibat  adanya  kerugian  ( loss )  ini  yang  dikenal  sebagai macrobending loss (kerugian akibat lengkungan makro). Kerugian pun dapat terjadi bila pada fiber  optik  terdapat  lengkungan-lengkungan  mikroskopis,  baik  akibat  cacat  pada  proses pembuatannya  ataupun  disengaja  dengan  menjepitkan  fiber  tersebut  pada  suatu  struktur bergerigi  halus.  Kerugian  semacam  ini  dinamakan microbending  loss (kerugian  akibat lengkungan  mikro) [3] .  Efisiensi  daya  optik  pada  transmisi  daya  optik  yang  dilewatkan  pada bundel serat optik multi-mode ditentukan dengan mengukur dan membandingkan daya yang diterima oleh detektor dan daya yang dipancarkan oleh sumber cahaya [4] . Bending pada serat optik menyebabkan hilangnya daya optik, dan mengurangi kinerjanya. Jadi pemodelan yang tepat  dari  kerugian bending sangat  penting  untuk  merancang  sistem  komunikasi  dan instrumen  optik.  Dalam  beberapa  tahun  terakhir  sensor  berbagai bending serat  optik dikembangkan, sensor serat optik ini dapat digunakan untuk mengukur parameter fisik yang berbeda seperti tegangan, tekanan, ketegangan, suhu, dan lain sebagainya [5] .
Sensor  WIM  merupakan  suatu  sensor  yang  memiliki  daya  tahan  yang  tinggi  dan  berfungsi pada  aplikasi  sistem  penimbangan  kendaran  dimana  kondisi  kendaraan  yang  sedang ditimbang tidak perlu menghentikan kecepatannya. Pada tahun 2008, Ramesh B. Malla dkk membuat  alat  sensor  WIM  berbasis  serat  optik,  adapun  serat  optik  khusus  yang  digunakan adalah FTDM  dual  core  optical  fiber .  Dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  diperoleh  hasil bahwa dengan adanya penambahan tekanan pada fiber uji maka terjadi pengurangan tegangan yang  diterima  oleh  photodetektor  dan  hasilnya  dapat  diperlihatkan  dalam  sebuah  osiloskop [6] .Telah  dilakukan  juga  penelitian  tentang  desain  alat  ukur  rugi-rugi  akibat macrobending pada multi-mode  optical  fiber berbasis  PC  dengan  variasi  jumlah  lilitan  dimana  hasil penelitian menunjukkan alat ukur yang dibuat dapat digunakan untuk melakukan pengukuran rugi-rugi  akibat macrobending dengan  hasil  semakin  banyak  lilitan  maka  semakin  rendah intensitas cahaya [7] . Rugi-Rugi macrobending ini yang berpengaruh dalam pengukuran massa pada sensor WIM.
Inovasi  pada  penelitian  ini  adalah  pada  sensor  yang  akan  dibuat  dari  serat  optik  plastik Telkom multi-mode dan model penekanan Triple Bending serta aplikasi pada PC yang telah dikembangkan  khusus  untuk  analisa  massa.  Harapannya,  penelitian  ini  dapat  menunjukkan potensi pada penerapannya untuk sensor WIM.

## METODE PENELITIAN
Penelitian ini memiliki tujuan untuk mengetahui pengaruh macrobending terhadap perubahan intensitas  pada  serat  optik  plastik multi-mode .  Perangkat  sensor  berbasis  serat  optik  ini terdapat  beberapa  bagian  utama  yaitu  sumber  cahaya,  sistem macrobending ,  detektor, converter ,  lengan  acuan  dan  pengukuran  serta  komputer.  Sumber  cahaya  dibuat  dengan menggunakan  LED  ( Light  Emmiting  Diode )  warna  merah  ( λ =676  nm).  Berkas  cahaya dideteksi  oleh  detektor  yang  terpasang  pada  masing-masing  ujung  lengan.  Skema  tersebut ditampilkan pada Gambar 1.
Gambar 1 . ( color online ) Skema sensor serat optik berbasis PC
Langkah  awal  di  dalam  penelitian  ini  adalah  pembuatan  sistem  alat bending model triple bending yang  terdiri  dari  3  pin  silinder  dengan  ukuran  diameter  8  mm  dan  panjang  4  cm. Ketiga  pin  ini  mengalami  kontak  langsung  dengan  serat  optik  saat  proses  penekanan. Perlakuan  pembengkokan  ini  diberikan  dengan  cara  penekanan  secara  vertikal  dari  atas menggunakan  micrometer.  Alat bending ini  juga  menggunakan  pegas  sebanyak  4  buah dengan  nilai  konstanta  pegas  yang  sama  yaitu  27,37  Nm -1 .  Setiap  pegas  diberikan  3 penyangga  berupa  baud,  hal  ini  agar  pegas  stabil  saat  terjadi  penekanan.  Serat  optik  yang digunakan berdiameter 3 mm. Skema alat bending tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 . ( color online ) Skema alat bending
Prinsip dasar bending yang akan dibuat dengan meletakkan serat optik diantara pin-pin atau batang-batang silinder, silinder bagian bawah dibuat statis dan silinder atas bersifat dinamis (dapat bergerak apabila ada gaya transversal) dan selanjutnya dilakukan pembebanan secara transversal sedemikian hingga silinder bagian atas akan menekan serat optik sehingga terjadi pembengkokan  pada  serat  optik  tersebut.  Pembengkokan  serat  optik  ini  merupakan macrobending yang akan mempengaruhi rugi-rugi. Analisa rugi-rugi akibat macrobending ini akan dilakukan dengan berbasis Personal Computer (PC). Analisa ini akan digunakan untuk memprediksi massa pada setiap penekanan, hal ini sangat dipengaruhi nilai konstanta pegas yang  digunakan  dan  persamaan  grafik  hubungan  antara  pergeseran  penekanan  dan loss bending.
jarak bending mikrometer skrup POF pin pegas Penyangga mikrometer skrup Papan acrylic Baud penyangga Lengan Pengukuran Komputer Alat Bending Detektor 1 Detektor 2 LED Converter 2 1 Lengan Acuan Keterangan: Kabel tembaga
Serat Optik
Langkah  selanjutnya  adalah  pembuatan converter yang  terdiri  dari  beberapa  IC  yang digunakan  yaitu  ADC0809,  IC  74157  dan  IC  7414.  Fungsi  dari  ADC0809  adalah  sebagai pengubah sinyal analog yang kirimkan oleh LDR menjadi sinyal digital supaya dapat diolah oleh  komputer.  IC  multiplexer  74157  digunakan  sebagai  perangkat  yang  dapat  membagi output dari ADC0809 menjadi dua grup masing-masing grup terdiri atas 4 bit sehingga dapat diproses oleh printerport . Sedangkan fungsi  dari IC 7414 adalah sebagai  pembangkit detak ( clock )  pada  ADC0809.  Skema  rangkaian converter untuk  penelitian  ini  dapat  dilihat  pada Gambar 3.
Gambar 3 . Skema rangkaian converter
Langkah  terakhir  adalah  pembuatan Listing program. Listing program  dibuat  dengan menggunakan Borlan Delphi 7 . Intensitas cahaya yang mengenai sensor akan diubah dalam satuan tegangan dan dibaca software dalam bentuk grafik, maka software pemindai intensitas cahaya tersebut dibuat dengan flowchart program pada Gambar  4. Program  yang dibuat ini diperlukan Microsoft  Excel  2010 untuk  penyimpanan  data  pengkuran. Software penunjang lainnya adalah Origin Pro 8 , digunakan untuk pengolahan data dalam bentuk grafik.
Gambar 4 . Flowchart program

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian ini menghasilkan 3 bagian penting, yaitu alat bending, converter dan program WIM Acquisition. Alat bending dibuat sesuai skema diatas dengan hasil terlihat pada Gambar 5.
Gambar 5 . ( color online ) Sistem alat bending
Seperangkat converter yang dihasilkan di dalam penelitian ini berfungsi untuk mengkonversi intensitas  cahaya  menjadi  data  tegangan  yang  dapat  ditampilkan  dan  disimpan  dalam komputer. Rangkaian converter dapat dilihat pada Gambar 6.
Tidak Ya Start Kalibrasi Intensitas cahaya Scan intensitas cahaya pada ujung serat optik Atur posisi ujung serat optik dan pemutar kalibrasi Intensitas stabil Ambil data Simpan dalam format .xls Stop Tidak
Gambar 6 . ( color online ) (a) Rangkaian converter tampak atas, (b) Rangkaian converter tampak depan, (c) Rangkaian converter tampak belakang, (d) Rangkaian converter tampak samping kanan, (e) Port LDR
Hasil listing program  yang  dibuat  menggunakan Borlan  Delphi  7 berguna  untuk menampilkan dan menyimpan data di komputer seperti ditampilkan pada Gambar 7. Program ini menampilkan hasil pengukuran secara real-time nilai intensitas yang terukur pada kedua detektor beserta nilai loss bending yang muncul ketika terjadi pembengkokan pada serat optik plastik akibat perlakuan penekanan di dalam alat bending. Nilai massa juga ditampilkan pada tampilan  program,  yang  besarnya  dipengaruhi  oleh  konstanta  pegas  dan  persamaan  linier yang didapatkan pada penelitian ini.
Data  yang  diperoleh  dalam  penelitian  ini  adalah  besarnya  tegangan  pada  dua  buah  sensor intensitas cahaya kelengkungan serat optik tertentu. Penurunan nilai tegangan yang terjadi itu sebagai  indikator  bahwa  telah  terjadi  rugi-rugi  akibat macrobending .  Pengambilan  data dilakukan dengan melakukan variasi  jarak bending yaitu 5 mm, 10 mm dan 15 mm.  Setiap variasi jarak bending dilakukan pergeseran penekanan sampai 3 mm dengan interval 0,1 mm. Batasan  penekanan  dilakukan  sampai  3  mm  karena  jika  melebihi  batas  tersebut  maka  akan terjadi deformasi atau kerusakan pada serat optik plastik. Jika terjadi kerusakan maka sensor yang dibuat tidak dapat digunakan secara berulang-ulang.
(a) (b) (c) (d) (e)
Gambar 7 . ( color online ) Program WIM Acqusition
Data bending pada  penelitian  ini  ditunjukkan  pada  Gambar  8.  Grafik  ini  merupakan hubungan  antara  besar  pergeseran  penekanan  dengan  perbandingan  setelah  dan  sebelum adanya bending. Berdasarkan grafik tersebut dapat diketahui bahwa nilai perbandingan antara tegangan  setelah  serat  optik  diberi  penekanan  dan  tegangan  referensi  mengalami  kenaikan ketika  besar  penekanan  bertambah.  Hal  ini  akibat  adanya  rugi-rugi macrobending yang terjadi  pada  serat  optik  tersebut.  Rugi-rugi macrobending ini  akibat  adanya  cahaya  yang keluar dari core sehingga gagal ditransmisikan, bahkan cahaya juga dapat keluar dari bagian cladding .
Rugi-rugi yang timbul pada serat optik dapat dihitung dengan mengingat definisi rugi-rugi:
(1) Dimana : dB = rugi-rugi serat optik ( ) L = panjang serat optik ( km) Pi = daya optik sebelum melewati alat bending (Watt) Po = daya optik setelah melewati alat bending (Watt)
Gambar 8 . ( color online ) Grafik hubungan antara pergeseran penekanan dengan loss bending pada diameter POF 3 mm dengan variasi jarak bending
Dengan mengingat bahwa,
(2) Dimana : P = daya (Watt) V
= tegangan listrik (Volt)
R = hambatan listrik (ohm)
Maka Persamaan 1 dapat ditulis menjadi
(3)
Dimana : V i = tegangan listrik sebelum melewati alat bending (Volt) V o = tegangan listrik setelah melewati alat bending (Volt)
Dalam  persamaan  ini V i dan V o secara  berurutan  adalah  tegangan  listrik  yang  terukur  pada program  aplikasi WIM  Acquisition hasil  pengukuran  intensitas  dari  cahaya  masuk  ke  serat optik (referensi) dan cahaya yang keluar dari serat optik termodulasi.
Grafik  pada  Gambar  9  dapat  dilihat  bahwa  terjadi  perbedaan  gradien  untuk  setiap  jarak bending yang diberikan. Dapat dianalisa bahwa semakin kecil jarak bending yang dilakukan maka mengakibatkan lossbending semakin tinggi. Dengan kata lain bahwa sensitifitas sensor semakin peka jika jarak bending semakin kecil.
Gambar 9 . ( color online ) Grafik R-square dan gradien
Semakin sensitif sensor maka semakin baik sensor yang dibuat, dalam hal ini adalah sensor WIM.  Tingkat  sensitifitas  juga  akan  lebih  baik  jika  didukung  dengan  validitas  atau  tingkat kepercayaan  data  yang  ditunjukkan  oleh  nilai  R-square.  Sedangkan  sensitifitas  ditunjukkan oleh nilai gradien grafik ( m ) seperti pada Persamaan 4. Berdasarkan Gambar 9, sensor akan memiliki  sensitifitas  dan  validitas  yang  tinggi  pada  saat  jarak bending 5  mm.  Dengan persamaan grafik yang didapat :
(4)
Akan tetapi analisa tersebut berlaku pada range pergeseran penekanan dari 1 sampai 3 mm. Hal  ini  karena  pergeseran  penekanan  dibawah  1  mm  memiliki  pengukuran  tegangan  yang fluktuatif.
Persamaan 4 ini digunakan sebagai perhitungan untuk prediksi nilai massa yang ditampilkan pada program WIM Acquisition . Persamaan tersebut menunjukkan hubungan antara pergesran penekanan  dan lossbending yang  akan  diubah  ke  dalam  grafik  prediksi  massa  berupa hubungan  pergeseran  dan  massa.  Grafik  prediksi  massa  dapat  dilihat  pada  Gambar  10. Analisa  ini  dilakukan  dengan  bantuan  aplikasi  yang  telah  dikembangkan  sendiri  dengan Borlan Delphi 7, yang digunakan khusus untuk analisa massa.
Gambar 10 . Grafik prediksi massa setiap perubahan loss bending
Untuk menentukan stabilitas dari sensor yang dibuat maka dapat diamati dari kurva histerisis sensor pada Gambar 11. Dari kurva terlihat adanya loss bending yang tidak tepat berhimpit antara titik satu dengan titik yang lain.  Hal ini menandakan adanya nilai perbandingan loss bending yang  tidak  sesuai  saat  penekanan  dinaikkan  dan  diturunkan.  Semakin  berhimpit kedua grafik maka semakin baik stabilitas sensornya. Namun, pada grafik ini memiliki trend kenaikan dan penurunan loss bending sebanding dengan variasi pergeseran akibat penekanan yang  diberikan,  dengan  demikian  dapat  disimpulkan  bahwa  sensor  serat  optik  yang  dibuat relatif memenuhi kaidah stabilitas sebuah sensor.
Gambar 11 . ( color online ) Kurva histerisis sensor serat optik

## KESIMPULAN
Hasil  penelitian  telah  menunjukkan  bahwa  semakin  besar  pergeseran  penekanan  yang dilakukan  maka loss  bending yang  muncul  juga  akan  semakin  besar.  Serat  optik  plastik diameter 3 mm dengan perlakuan penekanan model triple bending pada jarak bending 5 mm memiliki nilai sensitifitas sensor dan validitas data paling tinggi, hal ini ditunjukkan oleh nilai gradien/ m = 0,1063 dan R 2 = 0,9626. Berdasarkan trend grafik dengan nilai gradien dan R 2 tersebut  maka  desain  dari  sistem  sensor  pada  penelitian  ini  berpotensi  untuk  dapat diaplikasikan sebagai sensor Weight in Motion .

## DAFTAR PUSTAKA
1 Bilro,  L.,  Alberto,  N.,  Pinto,  J.L.  dan  Nogueira,  R.  2012.  Optical  Sensors  Based  on Plastic Fiber. Multidisciplinary Digital Publishing Institute . Basel, Switzerland, Vol. 12, Hal. 12184-12207.
2 Susanna, C., Marco, R., dan Martino, T. 2009. Macrobending Loss in Bend Insensitive Fibers:  A  Statistical  Parameter. International  Wire  &  Cable  Symposium ,  Vol.  58,  Hal. 258-263.
3 Waluyo, T.B., Bayuwati, D. dan Widiyatmoko, B. 2009. Karakteristik Rugi Lengkungan dengan  Optical  Time  Domain  Reflectometer  untuk  Penggunaannya  sebagai  Sensor Pergerakan Tanah. Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia , Vol. 9, Hal. 34-42.
4 Retno, S. 2011. Analisis Efisiensi Daya Pada Transmisi Daya Optik Lewat Bundel Serat Optik. The 13 th Industrial Electronics Seminar , Vol. 13, Hal. 409-415.
5 Zendehnam,  A.,  Mirzaei,  M.,  Farashiani,  A.  dan  Farhhani,  I.H.  2010.  Investigation  of Bending Loss in a Single-Mode Optical Fiber. Indian Academy of Sciences , Vol. 74, Hal. 591-603.
6 Ramesh,  B.,  Malla,  A.S.  dan  Norman,  W.G.  2008.  A  Special  Fiber  Optic  Sensor  for Measuring  Wheel  Loads  of  Vehicles  on  Highways,  Sensors. Multidisciplinary  Digital Publishing Institute, Vol. 8, Hal. 2551-2568.
7 Yunianto,  M.,  Marzuki,  A.  dan  Ismail,  Z.  2012.  Desain  Alat  Ukur  Rugi-Rugi  Akibat Macrobending pada Multi-Mode Optical Fiber Berbasis Personal Computer. Indonesian Journal of Applied Physics, Vol. 2, No. 2, Hal. 138-145.