Ensiklopedia Fotonika

Sejarah dari Teknologi Berbasis Cahaya

Bagikan Artikel ini di:

Artikel ini termasuk dalam seri Ensiklopedia Fotonika
Silahkan beri saran untuk penggunaan literatur tambahan di kolom komentar agar artikel ini menjadi lebih sempurna dan lebih banyak memberikan manfaat. Artikel ini adalah artikel berlanjut yang isinya akan terus bertambah secara berangsur-angsur

Pengajar: Nur Abdillah Siddiq
Rangkuman: Artikel ini membahas sejarah teknologi berbasis cahaya, dimulai dari ilmuan pionir dalam bidang cahaya, alat komunikasi yang memanfaatkan cahaya, hingga penjelasan mengapa teknologi berbasis cahaya sangatlah penting.

Ibn al-Haytham – Salah satu ilmuan pelopor bidang optik yang berasal dari Mesir

Karya tulis tertua mengenai cahaya diterbitkan oleh filsuf dan matematikawan Yunani seperti Empedocles (490-430 SM) dan Euclid (300 SM). Empedocles memiliki gagasan bahwa kita dapat melihat benda karena mata memancarkan cahaya dan cahaya tersebut mengenai benda, hal ini mirip seperti senter atau laser. Meskipun salah, gagasan ini menjadi dasar bagi Euclid untuk merumuskan beberapa teori penting dalam cahaya, penglihatan, dan optik. Namun karya tulis karangan dua penulis tersebut lebih terkesan filosofis daripada saintifik.

Sementara itu, ilmuan Mesir bernama Ibn al-Haytham (965 – 1040) adalah orang pertama yang menyadari bahwa cahayalah yang masuk ke mata, bukannya keluar dari mata. Kontribusi beliau pada prinsip optik dan persepsi visual sangatlah penting, dituliskan dalam bukunya yang berjudul Kitab al-Manazir (“Buku tentang Optik”). Selain membuat buku yang fenomenal, Ibn al-Haytham juga membuat kamera untuk pertama kalinya yang diberi nama Kamera Obscura dan mempelopori agar ilmu alam bergeser dari dunia filosofi ke dunia eksperimen. Barulah kemudian pada masa Galileo Galilei (1564-1642), eksperimen dalam bidang optik banyak sekali dilakukan sehingga bidang optik diangkat sebagai bagian dari ilmu alam khususnya Fisika. Saat ini, kita mengenal optik pada masa tersebut sebagai Optika Klasik.

Tentu ada banyak sekali pencapaian ilmiah dalam proses mengembangkan teknologi modern berbasis cahaya. Dari sudut pandang sejarah, tahun 1880 merupakan tahun yang penting karena Alexander Graham Bell berhasil membuat alat yang bernama “photophone”. Photophone adalah alat yang mampu mengubah intensitas cahaya yang datang berdasarkan amplitude gelombang suara. Sebuah detektor yang terbuat dari Selenium digunakan untuk mengubah cahaya yang ditransmisikan kedalam sinyal listrik, dan kemudian kembali menjadi suara. Photophone tidak praktis karena intensitas cahayanya yang mudah melemah disaat jaraknya semakin jauh, namun konsep komunikasi optik yang ditunjukkan oleh photophone memiliki peran dalam perkembangan bidang optika terpadu.

Photophone, alat pertama yang memanfaatkan cahaya untuk berkomunikasi

Perkembangan teknologi modern dari peralatan berbasis cahaya untuk tujuan komunikasi dimulai dari penemuan laser pada tahun 1960. Laser yang memancarkan berkas cahaya monokromatik dalam rentang cahaya tampak dan inframerah telah membuka rentang frekuensi yang 10.000 kali lebih kuat dibandingkan frekuensi dalam sistem komunikasi radio. Dikarenakan kapasitas informasi dapat meningkat secara langsung dengan semakin besarnya frekuensi, maka laser memiliki potensi untuk meningkatkan bandwidth hingga 10.000 kalinya (orde 4) dan mendorong penggunaan frekuensi dari 10 GHz hingga 100 THz. Menggunakan sedikit saja dari spektrum frekuensi yang tersedia, pada prinsipnya sebuah laser dapat menyalurkan seluruh percakapan telepon di Amerika Utara.

Dibalik potensi bandwidth mengagumkan yang ditawarkan laser, cahaya laser diserap oleh hujan, salju, kabut, dan asap sehingga menghalangi perambatan cahaya laser dalam atmosfer atau udara bebas. Jika bukan berkat serat optik dengan rugi rendah, maka sistem komunikasi (termasuk sistem internet saat ini) tidak akan pernah menjadi nyata. Penelitian tentang serat optik berdaya rendah tersebut ternyata bersamaan dengan berkembangnya laser semikonduktor bermoda tunggal, akibatnya system komunikasi yang mengirimkan informasi pada laju lebih dari 2 milyar bits per detik lebih dari 130 km hanya dengan 1 kesalahan per milyar bits menjadi mungkin. Pada laju informasi dan kesalahan ini, 5 jenis Ensiklopedia dengan setiap jenisnya memiliki 30 jilid dapat ditransfer dari New York hingga Philadhelphia dalam waktu 1 detik dan kesalahannya hanyalah 2 huruf capital padahal harusnya huruf kecil.

Lantas bagaimanakah perkembangan yang cepat dalam bidang komuniikasi optik dapat mempengaruhi bidang optika terpadu? Dengan kemampuan serat optik untuk mengirimkan sinyal optik, maka juga dibutuhkan kemampuan untuk secara periodik menguatkan dengan mengkondisikan ulang sinyal optik menggunakan repeater. Pada kasus inilah, optika klasik menjadi tidak efektif dalam penerapannya. Repeater optik biasanya menggunakan laser, detektor, lensa, cermin, yang tersebar dalam meja optis yang berukuran relatif besar. Padahal peralatan-peralatan tersebut sangat sensitif terhadap perubahan temperature dan getaran mekanik. Solusi cerdas diberikan oleh S.E. Miller (peneliti Bell Labs) yang melakukan miniaturisasi repeater dengan cara menggabung semua komponen dalam chip tunggal dan antar komponennya dihubungkan melalui jalur transmisi optik atau pandu gelombang. Miniaturisasi sangatlah mungkin karena panjang gelombang laser berorde mikron. Jadi fabrikasi repeater dengan komponen berukuran mikrometer dan menghasilkan sistem dengan dimensi sentimenter dari pada meter merupakan hal yang mungkin.

Meskipun penelitian awal dalam optika terpadu difokuskan pada bidang komunikasi optik, aplikasi potensial pada bidang lainnya juga memungkinkan, seperti pada bidang sensor, medis, dll. Topiknya pun beragam dari proses pemanduan secara optis, switching, modulasi, filtering, interferometri, pemrosesan sinyal, kopling pandu gelombang, pembangkitan optis, pendeteksian, hingga teknologi fabrikasi dalam skala mikro dan nanometer. Bidang semikonduktor juga berpengaruh sangat penting terhadap kemajuan optika terpadu. Kemajuan tersebut menyebabkan terjadinya kombinasi antara bidang optis, elektro-optik, dan listri sehingga dapat meningkatkan baik fleksibilitas dan cakupan bidang optika terpadu.

Baca juga Mengapa Kita Perlu Menguasai Ilmu Optik dan Fotonika?

Referensi:

[1] Al-Khalili, Jim. “In retrospect: book of optics.” Nature 518.7538 (2015): 164-165.

[2] Lee, Donald L. Electromagnetic principles of integrated optics. Wiley, 1986.

Nilai Artikel Ini
Bagikan Artikel ini di:

Teknik Multipleksing Optik: OTDM vs OFDM/OWDM

Bagikan Artikel ini di:

Artikel ini termasuk dalam seri Ensiklopedia Fotonika
Silahkan beri saran untuk penggunaan literatur tambahan di kolom komentar agar artikel ini menjadi lebih sempurna dan lebih banyak memberikan manfaat. Artikel ini adalah artikel berlanjut yang isinya akan terus bertambah secara berangsur-angsur

Pengajar: Nur Abdillah Siddiq
Rangkuman: Artikel ini membandingkan teknik multipleksing OTDM vs FWDM/OWDM. Menjelaskan persamaan dan perbedaannya, keuntungan dan kerugiannya.

“Today, optics is a niche technology. Tomorrow, it’s the mainstream of every chip that we build.” Pat Gelsinger, Intel senior vice president.

Semakin banyaknya pengguna internet dan semakin besarnya kebutuhan internet yang super cepat menyebabkan bidang komunikasi optik terus berkembang.  Salah satu kunci dalam proses pengiriman data secara optik adalah teknik multipleksing. Multipleksing adalah suatu teknik mengirimkan lebih dari satu (banyak) informasi melalui satu saluran, dalam konteks komunikasi optik maka saluran tersebut adalah fiber optik [1].  Tujuan utama dari multipleksing adalah untuk menghemat jumlah saluran fiber optik. Bayangkan jika 1 rumah yang berlangganan internet via fiber optik harus memakai 1 saluran serat optik ke penyedia layanan internet (ISP, Internet Service Provider),  maka  betapa besarnya buntelan kabel yang terjadi di ISP untuk melayani kebutuhan internet masyarakat dalam 1 kota. Dengan adanya teknik multipleksing, maka cukup ada 1 kabel saja yang ada di ISP dan mampu melayani kebutuhan internet masyarakat perkotaan. Kabel fiber optik dari setiap rumah akan terkumpul menjadi 1 di tiang telepon, biasanya 1 tiang telepon dapat mencakup hingga 1 kelurahan.

Pada tiang telepon terdapat Multiplekser atau disebut DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) dan dapat memenuhi kebutuhan telekomunikasi hingga 1 kelurahan.

Teknik multipleksing optik dibagi menjadi 2 kategori, yakni berbasis waktu (OTDM=Optical Time Domain Multiplex) dan berbasis frekuensi/panjang gelombang (OFDM = Optical Frequency Division Multiplex atau OWDM = Optical Wavelenght Division Multiplex). Frekuensi  (f) dan panjang gelombang (λ) saling berkaitan satu sama lain melalui persamaan c = λ.f , dengan c adalah kecepatan cahaya. Oleh karena itu frekuensi dan panjang gelombang merujuk pada teknik multipleksing yang sama. Sebelum menjelaskan perbedaan, persamaan, keunggulan, dan kerugian dari kedua teknik multipleksing tersebut maka skema keduanya dapat dilihat pada gambar berikut,

Skema dari teknik multipleksing OTDM [2]

Pada teknik multipleksing OTDM, saluran data yang berbeda terjadi dalam domain waktu. Saluran data tersebut diletakkan dalam keadaan celah (slot) waktu yang tidak saling tumpang tindih (non-overlapping). Namun semua slotnya saling tumpang tindih dalam domain frekuensi, disebabkan oleh hanya dipakainya 1 panjang gelombang saja.

Skema dari teknik multipleksing OWDM/OFDM [2]

Pada teknik multipleksing OWDM/OFDM, saluran data yang berbeda terjadi dalam domain panjang gelombang/frekuensi. Saluran data tersebut diletakkan pada pita frekuensi yang berbeda-beda sehingga jangan sampai ada frekuensi yang sama untuk saluran data yang berbeda.

Untuk keunggulan, kerugian, perbedaan, dan persamaan dari teknik multipleksing OTDM dan OFDM/OWDM dirangkum dalam tabel berikut,

Optical Time Division Multiplex Optical Wavelength Division Multiplex
Proses Kunci Transmisi pulsa yang sangat pendek (Ultra short pulse transmission) Banyaknya panjang gelombang pulsa pembawa yang berbeda dalam 1 fiber optik (large number of carrier wavelengths in the same fiber)
Keuntungan Sistem mudah untuk dibuat dan diterapkan Komponen-komponen dalam sistemnya mudah didapatkan
Kerugian Terdapat tantangan dalam proses switching Cukup banyak komponen yang dibutuhkan, memakan lebih banyak tempat
Kerumitan dalam proses demultipleksing untuk mengambil data dalam orde 1 femto sekon  Membutuhkan laser dengan kestabilan frekuensi yang tinggi
Dispersi yang besar Konversi panjang gelombang/frekuensi cukup susah
Komponen optik terpenting -Laser mode-locked

-DEMUX yang kesemuanya optik atau tanpa pengaruh listrik (All optical DEMUX)

-Kompensator dispersi (Dispersion compensator)

– Optical DEMUX

– Filter pita sempit (Narrowband filters)

– Laser dengan frekuensi tunggal dan stabil (Single frequency sources)

Persamaan Membutuhkan modulator dan demodulator optik
Membutuhkan fotodetektor dibagian penerima
Membutuhkan optical amplifier untuk meningkatkan kekuatan sinyal
Membutuhkan proses clock extraction pada receiver yang digunakan untuk mengekstrak informasi pada receiver
Membutuhkan filter panjang gelombang untuk memperoleh panjang gelombang yang diinginkan
Sumber:

[1] Mosso, M. M., et al. “OTDM quasi-all-optical demultiplexing techniques comparative analysis.” Microwave and Optoelectronics Conference, 1997. Linking to the Next Century. Proceedings., 1997 SBMO/IEEE MTT-S International. Vol. 2. IEEE, 1997.

[2] http://www.rfwireless-world.com/Terminology/OTDM-vs-OWDM.html diakses pada tanggal 4 November 2017

Nilai Artikel Ini
Bagikan Artikel ini di:

Tiga Aplikasi Mengagumkan dari Laser yang Akan Mengubah Dunia

Bagikan Artikel ini di:

Artikel ini termasuk dalam seri Ensiklopedia Fotonika.
Silahkan beri saran untuk penggunaan literatur tambahan di kolom komentar agar artikel ini menjadi lebih sempurna dan lebih banyak memberikan manfaat. Artikel ini adalah artikel berlanjut yang isinya akan terus bertambah secara berangsur-

Pengajar: Nur Abdillah Siddiq
Rangkuman: Menjelaskan aplikasi dari laser yang akan mengubah dunia

“In science fiction lasers are cool, but in science fact they will blow your mind” (Jonathan Strickland)

Hampir semua orang mengenal apa itu laser. Dalam kehidupan masyarakat Indonesia, laser sering dipakai sebagai mainan anak-anak atau sebagai pointer pada saat presentasi. Bahkan saat ini di kota-kota besar, cukup banyak orang yang menjual laser di pinggir jalan [1]. Para penjual laser tersebut akan menyalakan laser dan menarik perhatian masyarakat untuk membelinya, namun tidak sedikit pengendara yang merasa terganggu dengan sinar laser yang berbahaya bagi mata tersebut [2].

Penjaja Laser di Pinggir Jalan. Sumber: detik.com

Namun tahukah Anda bahwa laser memiliki aplikasi yang luar biasa berdampak besar bagi kehidupan manusia? Banyak sekali aplikasi laser yang mungkin tidak kita sadari, dari barcode, laser printing, serat optik internet, CD & DVD drive, dll. Pada artikel ini akan dibahas 3 aplikasi mengagumkan dari laser yang akan mengubah dunia.

1.Laser sebagai Peningkat Efektivitas Vaksin
Laser dapat meningkatkan efektivitas vaksin. Sumber: phys.org

Penelitian yang dilakukan oleh Ji Wang pada tahun 2014 dari Harvard Medical School membuktikan bahwa menyinari laser pada lokasi dimana vaksin akan disuntikkan dapat meningkatkan efektivitas dari vaksin flu hingga 7 kali lipat, dibandingkan tanpa disinari laser terlebih dahulu. Sayangnya penelitian ini masih dilakukan pada tikus dan babi. Namun tidak menutup kemungkinan bahwa tidak lama lagi metode ini akan diterapkan pada manusia karena sistem kulit dan kekebalan tubuh manusia cukup mirip dengan babi [3].

Selain efektif, laser juga akan merevolusi proses pemberian vaksin karena dengan laser artinya vaksin tidak memerlukan jarum suntik lagi. Mekanismenya adalah vaksin yang awalnya menggunakan cairan (liquid) diubah menjadi bentuk bubuk. Kemudian bubuk vaksin tersebut dimasukkan kedalam kulit melalui plester yang menempel dikulit. Masuknya bubuk dari plester kekulit disebabkan oleh laser yang telah membentuk puluhan hingga ratusan saluran mikro pada kulit [4]. Penelitian ini masih mengalami proses standarisasi agar dapat diterapkan pada manusia.

2. Laser sebagai Senjata
Laser sebagai senjata untuk memotong baja. Sumber: popsci.com

Bagi sebagian orang yang bekerja di bidang kerajinan maupun bidang teknik, tentu sering mendengar istilah laser cutting. Mesin Laser cutting memiliki ukuran yang sangat besar (lebih dari 1×1 m2) dan digunakan untuk memotong berbagai benda. Namun, perusahaan Inggris yang bernama TWI berhasil melakukan miniaturisasi dari laser cutting yang berukuran besar tersebut menjadi seukuran senjata. Senjata laser tersebut memiliki kekuatan 5 kW daya laser, panjang gelombang 1 um (mikrometer) dan dapat memotong baja dengan ketebalan 3/4 inchi (sekitar 2 cm) [5].

Aplikasi utama dari senjata laser ini tentu saja bukan seperti yang terjadi di film fiksi, tetapi pada pembongkaran reaktor nuklir. Selama ini reaktor nuklir dibongkar dengan cara dipotong melalui mekanisme waterjet cutting (air yang dicampur dengan serbuk amplas kemudian ditembakkan dengan kecepatan dan tekanan yang sangat tinggi) [5]. Namun metode tersebut tentu saja dapat menghasilkan limbah air yang telah bercampur dengan zat radioaktif. Dengan digunakannya laser, tidak akan ada limbah yang dihasilkan dalam proses pemotongan.

Laser berkekuatan tinggi yang dipasang pada kapal perang. Sumber: news.usni.org

Selain dapat digunakan pada reaktor nuklir, laser sebagai senjata dapat digunakan untuk menembak kapal, roket, dan juga pesawat terbang. Senjata itulah yang dikembangkan oleh Angkatan Laut Amerika Serikat dengan nama LaWS (Laser Weapon System) yang memiliki kekuatan hingga 30 kW daya laser dan terus dikembangkan hingga mencapai 150 kW daya laser [6]. Dalam video demonstrasinya [7], LaWS dapat mengancurkan kapal dan pesawat terbang tanpa awak dengan sekali tembak. Yang mengagumkan adalah tembakan tersebut tidak memiliki tanda-tanda adanya tembakan seperti bunyi dan penjalaran peluru. Hal tersebut disebabkan oleh digunakannya gelombang dengan panjang gelombang 1075 nm sehingga tidak terlihat oleh mata, mata manusia hanya mampu melihat gelombang yang memiliki panjang gelombang 400-700 nm.

Berikut ini adalah video demonstrasi dari LaWS.

3. Laser sebagai Alat Utama Kecantikan
Laser untuk kecantikan sedang banyak diminati. Sumber: buro247.com.au 

Aplikasi paling populer dan booming dari laser bagi masyarakat perkotaan adalah pada bidang kecantikan, contohnya digunakan dalam pengurangan rambut, peremajaan kulit, menghilangkan flek hitam, menghilangkan tanda lahir, mencerahkan kulit, dan pengobatan jerawat [8].  Berbagai efek samping dari penggunaan laser generasi pertama (laser fractional) sebagai alat kecantikan seperti nyeri, bengkak, kulit mengelupas, kulit kemerahan juga telah dihilangkan [9]. Kendala utama dari aplikasi laser pada bidang kecantikan adalah biayanya yang sangat mahal yang berada dalam kisaran Rp 5-7 jutaan [9].

Bagaimana cara kerja laser sebagai alat kecantikan? Prinsip kerjanya berbeda-beda pada setiap perawatan. Pada perawatan peremajaan kulit misalnya, laser membuat lubang yang sangat kecil (lebih besar sedikit dari pori-pori kulit) sehingga merangsang keluarnya asam aminopeptide yang akan memberi sinyal pada sel kulit untuk melakukan regenerasi. Akibatnya kulit lebih banyak memproduksi kolagen agar kulit terlihat kencang dan menjadi terlihat lebih muda [10].

Foto perawatan laser di salah satu klinik di Jakarta. Sumber: wolipop.detik.com

Demikian 3 aplikasi dari laser yang akan mengubah dunia. Aplikasi pertama digunakan dalam rangka manusia untuk terhindar dari penyakit, aplikasi kedua dapat digunakan untuk misi perdamaian dan pertahanan, dan aplikasi ketiga digunakan agar manusia dapat menjadi awet muda. Manakah dari ketiga aplikasi tersebut yang menurut anda paling penting?

 

Referensi:
  1. Detik. Tukang Laser Hijau Yang Menjamur di Jalanan Ibukota, Saatnya Ditertibkan? Diakses pada tanggal 4 September 2017
  2. Metrotvnews. Penjual Laser di Jalanan Dinilai Ganggu Pengendara Diakses pada tanggal 4 September 2017
  3. Ji Wang, Dilip Shah, Xinyuan Chen, R. Rox Anderson & Mei X. Wu. 2014. A micro-sterile inflammation array as an adjuvant for influenza vaccines. Nature Communications 5, Article number: 4447 (2014).
  4. Fiona Barry. Laser delivery will allow painless, needle-less vaccines. Diakses pada tanggal 4 September 2017.
  5. Kelsey D. Atherton. This Rifle Shoots Lasers. Diakses pada tanggal 4 September 2017.
  6. Global Security. Laser Weapon System (LaWS). Diakses pada tanggal 4 September 2017.
  7. Youtube Video. U.S. Navy Tests New Laser Defense Weapon System. Diakses pada tanggal 4 September 2017.
  8. Tanyadok. Tampil Cantik Berkat Laser. Diakses pada tanggal 4 September 2017.
  9. Wolipop. Pertama di Indonesia, Laser Kulit Tanpa Rasa Sakit & Kemerahan. Diakses pada tanggal 4 September 2017.
  10. Colette Bouchez. Top 6 Antiaging Breakthroughs. Diakses pada tanggal 4 September 2017.

 

Nilai Artikel Ini
Bagikan Artikel ini di:


UP TO DATE | TERPERCAYA | SERU

Warung Sains Teknologi (Warstek) adalah media SAINS POPULER yang dibuat untuk seluruh masyarakat Indonesia baik kalangan akademisi, masyarakat sipil, atau industri.

                

Kontak

  • Address: Jl. Sukolilo Baru gg. VI no 10 | Surabaya | Indonesia
  • Phone: (+62)87750118140
  • Email: warstek.jurnal@gmail.com
  • Office Hour: 08.00 WIB  – 15.00 WIB (Monday – Friday)