Serat Optik dan Mata Elektronik

Bidang riset yang digeluti para pemenang Nobel Fisika 2009 ini adalah fisika optik. Kao misalnya, memprediksi 40 tahun yang lalu bahwa serat optik mampu mengantarkan informasi dengan sangat cepat, nyaris mendekati kecepatan cahaya (kecepatan paling cepat sejagad raya). Sedangkan Boyle dan Smith menciptakan sensor CCD (charged-couple device) yang sering kita temui pada kamera modern sekarang.

Nobel Fisika 2009 telah diumumkan oleh Royal Swedish of Science di Stockholm, Swedia, pada Selasa 6 Oktober 2009, pukul 16:45 (4:45pm) WIB. Penghargaan tertinggi di dunia sains ini diberikan kepada tiga ilmuwan yang telah berperan sangat penting dalam perkembangan teknologi informasi. Setengah medali diberikan kepada Charles Kao dan setengah sisanya dibagi dua oleh Williard Boyle dan George Smith.

Bidang riset yang digeluti para pemenang Nobel Fisika 2009 ini adalah fisika optik. Kao misalnya, memprediksi 40 tahun yang lalu bahwa serat optik mampu mengantarkan informasi dengan sangat cepat, nyaris mendekati kecepatan cahaya (kecepatan paling cepat sejagad raya). Sedangkan Boyle dan Smith menciptakan sensor CCD (charged-couple device) yang sering kita temui pada kamera modern sekarang.

Saat gempa yang terjadi di Padang 30 September 2009 yang lalu, serempak seluruh dunia mengetahuinya. Media elektronik, seperti radio, televisi, dan berita online, menyajikan liputan berita dan gambar. Kecepatan penyebaran informasi dan proses penyajian gambar berkualitas adalah berkat teknologi serat optik dan sensor CCD.

nobel_fisika_2009
Serat optik seakan telah membelit Bumi kita, simbol bahwa teknologi komunikasi sangat bergantung pada kabel ini. (Gambar dari http://nobelprize.org)

Mengatur Gerak Cahaya

Fisika optik adalah cabang fisika yang berhubungan dengan cahaya — jadi tidak hanya sebatas lensa dan kacamata saja. Lewat cahayalah kita dapat melihat dunia ini. Mata kita adalah sensor cahaya yang sedemikian rupa sehingga mampu menerjemahkan bayangan yang masuk ke mata menjadi sinyal-sinyal listrik yang kemudian diterjemahkan oleh otak sebagai gambar, baik bergerak maupun diam.

Cahaya memiliki sejumlah sifat yang menjadi identitasnya. Misalnya, cahaya bergerak dengan kecepatan 3×10^8 m/s, sebuah kecepatan yang tidak ada yang lebih besar daripada itu. Dalam pergerakannya, cahaya memilih lintasan terpendek (garis lurus dalam perspektif sehari-hari kita). Cahaya tidak memiliki massa dan energinya dapat dikuantisasi yang disebut foton, atau partikel cahaya.

Sifat-sifat ini membuat cahaya mampu membawa informasi. Pembawa informasi konvensional adalah listrik (elektron), seperti pada teknologi telegraf. Pada telegraf, pengirim pesan “menghidupmatikan” elektron dalam pola tertentu, pola hidup-mati ini diteruskan di sepanjang kawat listrik dan berakhir pada penerima pesan. Cahaya juga mampu melakukan itu, jika memikirkan cahaya sebagai foton (partikel) pengganti elektron dalam telegraf. Dengan demikian, informasi dapat dikirim dengan sangat cepat (secepat kecepatan cahaya).

Untuk membawa informasi ke tempat tujuan, cahaya harus dipandu supaya tidak tersesat. Ingat, secara alamiah cahaya bergerak dalam garis lurus. Untuk itu, cahaya harus dibelokkan ke kiri dan ke kanan, atau ke atas dan ke bawah, supaya informasi dapat di bawa berkelok-kelok dari satu tempat ke tempat lain.

Memandu cahaya, atau mengontrol bentuk lintasannya, membutuhkan sifat cahaya yang lain, yaitu refraksi (pembiasan atau pembelokan). Ada benda-benda tertentu yang dapat membelokkan cahaya. Kemampuan ini digambarkan oleh indeks bias dari material tersebut: cahaya akan berbelok jika melewat dua benda yang memiliki indeks bias berbeda. Misalnya adalah cahaya yang datang dari air ke udara. Jika sudut cahaya datang ke batas permukaan air-cahaya diatur sedemikian rupa, maka cahaya tidak dapat menembus permukaan air namun terpantulkan kembali ke dalam air. Fenomena ini menjadi dasar dari teknologi pemandu gelombang optis.

Untuk keperluan komunikasi, bahan gelas dipakai sebagai pemandu cahaya. Bahan gelas tersebut dibuat menjadi serat-serat panjang yang membentuk kabel dan disebut serat optik (fiber optic). Seberkas cahaya yang diarahkan ke dalam serat, terpantul-pantulkan oleh dinding gelas dan bergerak maju karena indeks bias gelas lebih besar daripada indeks bias udara di sekelilingnya (seperti kasus air-udara, indeks bias air lebih besar daripada udara). Perhatikan Gambar 2.

Arah rambat cahaya dalam sepotong serat optik.
Arah rambat cahaya dalam sepotong serat optik. (Gambar dari http://howstuffwork.com)

Banyak cahaya yang hilang selama proses pemanduan dan ini harus dikurangi. Ini seperti bola basket yang terpantul-pantul ke lantai dan pantulannya makin lemah seiring waktu berjalan. Mengurangi cahaya yang hilang inilah yang dilakukan oleh Charles Kao. Kao lahir pada tahun 1933 di Shanghai (Cina), kemudian pindah ke Hong Kong bersama keluarganya pada tahun 1948. Kao mengenyam pendidikan di jurusan Teknik Elektro dan meraih gelar Ph.D pada tahun 1965 di Emperial College, London (Inggris). Saat mendapatkan gelar Ph.Dnya tersebut, Kao sudah bekerja di Standard Telecommunication Laboratories di Harlow, Essex (Inggris). Di laboratorium ini, Kao mempelajari serat optik dengan tujuan utama mengurangi energi cahaya yang hilang selama proses pemanduan, setidak-tidaknya 1% cahaya yang masuk serat optik tidak hilang setelah bejalan sejauh 1 kilometer.

Untuk itu, tahun 1966 Kao berkesimpulan bahwa harus dibuat serat optik dari bahan gelas murni untuk menjaga homogenitas indeks biasnya. Serat ini dapat dibuat dari perbaduan batu kuarsa dan silika yang dicairkan pada temperatur 2000 derajat celcius. Teknik pembuatannya sulit, namun pada tahun 1971 para ilmuwan di Corning Glass Work (Amerika Serikat), manufaktur gelas dengan 100 tahun pengalaman, berhasil membuat serat optik dari gelas murni sepanjang 1 kilometer.

Teknologi manufaktur serat optik sekarang sanggup mempertahankan 95% cahaya setelah menempuh satu kilometer. Pencapaian ini jauh dari ambisi awal Kao yang menginginkan 1% cahaya tersisa setelah menempuh 1 kilometer perjalanan. Lebih jauh lagi, sekarang tersedia berbagai jenis serat optik yang dapat dipilih sesuai kebutuhan.

Serat optik dari gelas sepertinya gampang pecah. Namun, sifat gelas berubah ketika dijadikan serat panjang. Gelas menjadi kuat, ringan, dan fleksibel sehingga memungkinan kabel serat optik untuk ditanam di bawah tanah, diletakkan di bawa air, atau ditekuk di sudut ruangan. Tidak seperti kabel tembaga, kabel serat optik tidak dipengaruhi oleh petir; dan tidak seperti komunikasi radio (gelombang elektromagnetik), kabel serat optik tidak dipengaruhi oleh cuaca yang buruk.

Tidak butuh waktu lama untuk melilit Bumi dengan kabel serat optik. Tahun 1988, kabel serat optik pertama terbentang sepanjang 6000 km di dasar Samudera Atlantik antara Amerika Serikat dan Eropa. Sekarang, telepon dan komunikasi data mengalir dalam sebuah jaringan kabel serat optik dengan panjang total lebih dari 1 milyar kilometer (1 milyar = 10^9). Jika kabel serat optik sepanjang ini dibentangkan memanjang di permukaan Bumi, maka kabel serat optik akan melilit Bumi lebih dari 25000 kali — dan panjang ini terus bertambah setiap jam!

Applikasi Serat Optik

Selain untuk transmisi informasi, serat optik juga dipakai untuk keperluan lainnya. Bidang medis misalnya, menggunakan serat optik untuk menerangi bagian tertentu di dalam tubuh ketika proses operasi. Serat optik juga dipakai untuk menerapi bagian tubuh bagian dalam dengan cahaya.

Serat optik juga dapat berperan sebagai sensor pergerakan. Sepasang serat optik dengan berbeda karakter fisik dipadu (disebut fiber coupler). Satu serat dilewatkan ke dalam sistem dinamik yang hendak diukur, seperti misalnya mengukur detak jantung atau atau kekuatan getaran pada jembatan. Sedangkan serat yang satu lagi dibiarkan untuk dijadikan acuan jika sistem statik. Perbedaan jumlah cahaya antara kedua serat ini dapat dikonversi ke dalam satuan yang dibutuhkan, apakah meter atau volt.

Sensor yang bekerja berdasarkan serat optik memiliki beberapa keunggulan dari sensor yang bekerja berdasarkan listrik. Beberapa diantaranya adalah ketelitian yang tinggi, tidak dipengaruhi medan listrik dan magnet, tidak menimbulkan percikan api, dan mengirim informasi dengan sangat cepat.

Mata Elektronik

Teknologi CCD sering kita temui dalam kamera modern. Perlengkapan ini memungkinkan kita untuk menyaksikan langsung gambar live di balik lensa pada sebuah layar monitor yang kecil — oleh sebab itu, teknologi CCD disebut sebagai “mata elektronik”. Ini merupakan sebuah kemampuan yang telah merevolusi dunia fotografi dan filmografi.

Teknologi CCD lahir tanpa sengaja. Awalnya, pada tahun 1969, Boyle dan Smith berniat membuat sensor gambar. Sensor ini harus dapat mengingat gambar secara elektronik (memori elektronik). Pada perkembangan selanjutnya, mereka meninggalkan ide memori elektronik karena muncul ide lebih revolusioner: teknologi pencitraan digital dengan sensor CCD.

Tentu saja serat optik menjadi komponen penting dalam aplikasi CCD. Informasi dari lensa yang menerima cahaya diteruskan ke CCD oleh serat optik.

CCD
Prinsip kerja CCD. (Gambar dari http://nobelprize.org)

CCD tidak hanya dinikmati para dunia fotografi dan perfilman. Dunia astronomi dan kosmologi juga berterima kasih kepada CCD. Teleskop ruang angkasa Hubble menggunakan CCD untuk merekam lebih baik objek-objek angkasa daripada teknologi lensa biasa. Dengan demikian, pemahaman kita terhadap Alam Semesta bertambah secara signifikan.

 

Contoh
Contoh gambar dari teleskop ruang angkasa Hubble dengan CCD yang tidak mungkin didapatkan dengan teknologi konvensional lensa. (Gambar dari http://nobelprize.com)

Febdian Rusydi
Grup Fisika Teori PHOTON
Universitas Airlangga

Author: febdian RUSYDI

a physicists, a faculty, a blogger.

11 thoughts on “Serat Optik dan Mata Elektronik”

  1. Setelah baca artikel ini nampaknya kita memang sudah tidak bisa lepas dari serat optik. Hampir semua kegiatan kita sudah tergantung dengan adanya serat optik, mulai dari teknologi informasi, kesehatan maupun hanya untuk sebuah hobby (kamera).

  2. thanx bwt artikelnya..bermanfaat bgt..nambah pengetahuan..apalagi bwt referensi tugas kuliah
    LIKE THIS!!!

  3. pak, kalo cara kerja serat optik digunakan dalam monitoring temperatur pada pengeboran minyak itu gmn ?

  4. Bagus banget, karena sensor serat optik tidak bersentuhan langsung dengan yang diamatinya DAN juga tidak mengubah tekanan atau menimbulkan api. Pernah dengan teletermometer?

    Saya sudah lama tidak mengikuti dunia sensor, tapi saya rasa sudah ada aplikasi teletermometer di bidang pengeboran minyak.

Leave a Reply