Serat Optik - Material dan Proses Pembuatan (Drawing)

Serat optik untuk komunikasi telah berkembang dari prediksi awal dengan rugi transimisi sebesar beberapa desibel per kilometer hingga nilai finalnya yang hanya 0.2 dB/km. Alasan dibalik rugi transmisi yang rendah adalah beberapa sifat material yang tak disengaja. Pita celah dari material fused silica terletak pada nilai sekitar 9 eV, sementara resonansi vibrasi inframerah memproduksi panjang gelombang 2 μm. Hamburan Rayleigh adalah mekanisme rugi transmisi yang dominan dengan karakteristik ketergantungan λ⁴ dalam gelas fiber mengindikasikan homogenitas yang hampir sempurna dari material. 

Penampang melintang dari serat optik dengan profil indeks bias. Pada umumnya perbedaan dari indeks bias core-cladding untuk serat optik moda tunggal pada panjang gelombang 1,5 μm adalah ~4,5 x 10^-3 dengan jari-jari inti sebesar 4 um.

Profil indeks bias dari serat optik ditunjukkan oleh gambar diatas. Daerah inti (core) memiliki indeks bias yang lebih tinggi dibandingkan material cladding sekitarnya, yang biasanya terbuat dari silika. Akibatnya cahaya menjadi terperangkap di dalam inti dengan mekanisme pemantulan internal sempurna (total internal reflection) pada batas inti-cladding dan memungkinkan untuk merambat pada puluhan kilometer dengan atenuasi yang rendah pada panjang gelombang 1550 nm.

Salah satu unsur yang paling umum digunakan sebagai dopant bagian inti adalah germanium, termasuk pada grup IVA sebagaimana silikon dan menggantikan atom silikon yang berada dalam struktur tetrahedron, berkoordinasi dengan 4 atom hidrogen. 

Unsur germanium murni memiliki pita sisi sekitar 185 nm. Terpisah dari kontribusi material murni tersebut, yang merupakan batas fundamental dari karakteristik atenuasi dalam pandu gelombang, terdapat rugi absorbsi yang signifikan dari kehadiran pengotor. Ion OH^- memiliki absorbsi inframerah pada panjang gelomang 1,37, 0,95 , dan 0,725 μm.

Kehadiran unsur fosfor dalam senyawa P₂O₅ pada silika meskipun dalam jumlah yang kecil (~0,1%) dapat mengurangi titik lebur dari gelas secara signifikan, membuatnya menjadi lebih mudah untuk memfabrikasi sebagai serat optik. Fosfor juga digunakan sebagai unsur doping serat optik yang dikombinasikan dengan unsur tanah jarang seperti Ytterbium (Yb) dan Erbium (Er) untuk aplikasi sebagai amplifier fiber dan laser. Pada konsentrasi yang lebih tinggi ion tanah jarang akan mengelompok dalam germanium-doped silicate glasses. Pengelompokan menyebabkan interaksi ion-ion, yang mengurangi masa hidup keadaan tereksitasi. Bersamaan dengan alumunium (Al₂O₃ sebagai sebuah kodopan dalam silica) dalam inti, proses pengelompokan dapat sangat dikurangi, memungkinkan amplifier yang efisien untuk dibuat. Fosfor juga umum digunakan apda planar silica dalam fabrikasi pandu gelombang silika, hal ini dikarenakan fosfor dapat mengurangi temperatur pemrosesan dari pembuatan substrat.

Fluorin dan boron trivalen (sebagai B₂O₃) adalah dopant lain yang biasanya digunakan dalam serat optik silika yang didoping germanium. Perbedaan utama diantara germanium dan fluorin/boron adalah pada indeks bias yang semakin besar seiring meningkatnya konsentrasi dari germanium, namun pada boron/fluorin indeks biasnya semakin mengecil seiring dengan semakin besarnya konsentrasi. Dengan fluorin, hanya reduksi kecil dalam indeks bias yang mungkin (~0.1%), sementara boron memungkinkan reduksi indeks bias yang besar (>0.02). Boron juga mengubah topologi dari gelas menjadi trivalen. Boron dan germanium bersama-sama membuat perbedaan indeks bias yang rendah diantara inti dan cladding.

Kerapatan dari gelas yang didoping boron dapat berubah secara signifikan melalui proses annealing, yakni dengan mengubah temperatur pembuatan fiber. Preform dari serat optik yang didoping boron menunjukkan performa yang getas dan mudah pecah kecuali jika dihandle dengan ekstra hati-hati. Boron dengan doping germanium telah menunjukkan sifat fotosensitif yang sangat baik (excellent).

Referensi:
[1] Kashyap, R., 2009. Fiber bragg gratings. Academic press.