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 –