Aplikasi Teknologi Optik Nonlinier (ONL)

Pendahuluan

Untuk itu, alternatif satu-satunya yang saat ini memberi harapan adalah teknologi fotonik. Teknologi ini mengandalkan material yang memiliki sifat optik nonlinier, yakni kebergantungan indeks bias material terhadap intensitas cahaya. Sifat ini merupakan dasar bagi all-optical switching ataupun computing. Implementasi pengolahan sinyal dengan all-optical device hingga saat ini berlangsung agak lambat karena belum ditemukannya material-material yang diperlukan bagi devais tersebut.

Konsep Devais

Optik Nonlinier adalah ilmu pengetahuan modern terbaru yang berhubungan dengan fenomena fisika yang terjadi akibat medan yang ditimbulkan oleh laser. Teknologi ini dinamakan teknologi fotonik sebagai pengganti teknologi elektronik untuk memperoleh, menyimpan, menyiapkan, mengirim dan memproses informasi. Konsep komputer optik, proses sinyal optik dan image analisis sedang dikembangkan dengan menggunakan proses optik nonlinier sebagai konversi frekuensi, modulasi cahaya, optical switching, optical logic, penyimpan memori optik, dan optical limiter function.

Untuk beberapa aplikasi second harmonic generation(SHG), image analisis, high density data storage, elektrooptik spatial light modulation dapat direalisasikan dalam waktu dekat. Sedangkan untuk third harmonic generation(THG), all-optical switching, sangat berguna bagi optical informasi prosessing dan aplikasi dalam telekomunikasi di masa depan. Keuntungan terbesar dalam menggunakan all-optical proses adalah penguatan kecepatan yang mencapai subpicosecond. Secara garis besar device optik non linier dapat dilihat dalam tabel di atas.

Beberapa Aplikasi Optik Nonlinier

• Nonlinier order-2

Material yang hanya memiliki sifat optik nonlinier order-2, bila material tersebut disinari dengan cahaya dengan medan listrik E = Ew cos w t. maka polarisasi yang terjadi pada material :

P = c ⁽¹⁾ Ew cos w t + ¼ c ⁽²⁾ Ew ² [cos 2w t + 1] (1)

Terlihat bahwa sebagai efek dari suseptibilitas order-2, polarisasi mengandung bagian dc dan bagian berosilasi dengan frekuensi 2w di samping bagian yang berfrekuensi w . Bagian yang berosilasi dengan frekuensi 2w akan menginduksikan cahaya berfrekuensi sama. Ini yang disebut second harmonic generatin (SHG).

Jika material dikenai sekaligus oleh medan listrik dc dan berosilasi dengan :

E = E_dc + Ew cos w t (2)

Maka suseptibilitas order-2 memberikan sumbangan terhadap suseptibilitas linier yakni :

c ⁽¹⁾ + c ⁽²⁾ E_dc (3)

sehingga indek biasnya bergantung pada medan E_dc . Hal ini yang disebut dengan efek elektrooptik atau Pockel yang memberi peluang terhadap proses modulasi cahaya. Prinsip modulasi dilukiskan dalam gambar 2 di bawah ini :

Gambar 2

Selanjutnya andaikan dua berkas cahaya masing-masing E_s cos w _st dan E_p cos w _pt dengan w _p > w _s , menyinari material. Secara serentak, kedua medan itu akan

menimbulkan polarisasi yang berkaitan dengan order-2 yakni :

½ c ⁽²⁾ E_p E_s cos (w _p - w _s) t (4)

maka yang selanjutnya menginduksikan medan listrik di dalam material :

E_I µ c ⁽²⁾ E_p E_s cos w _I t (5)

Dimana w _I = w _p - w _s

Sehingga mengakibatkan medan ini bersama medan E_p cos w _p t akan menginduksikan polarisasi µ c ⁽²⁾ I_p E_s cos w _st dengan I_p adalah intensitas cahaya E_p. Polarisasi ini selanjutnya menginduksikan medan :

E_o µ c ⁽²⁾ I_p E_s cos w _st (6)

Jadi, cahaya E_s cos w _st akan dilewatkan melalui material dengan suatu faktor penguatan yang bergantung pada suseptibilitas order-2 material dan intensitas I_p dari medan E_p cos w _pt. Hal ini dapat diperlihatkan dalam gambar 3

Gambar 3

• Nonlinier order-3

Material yang memiliki suseptibilitas order-3 bila disinari cahaya dengan medan Ew cos w t, maka polarisasi sehubungan dengan suseptibilitas order-3 adalah :

1/6 c ⁽³⁾ Ew ³ [3/4 cos w t + ¼ cos 3w t] (7)

Maka suku kedua dari polarisasi itu akan menginduksikan medan berfrekuensi 3 kali. Peristiwa ini disebut third harmonic generatin(THG). Suku pertama bersifat linier, dan itu memberi sumbangan terhadap suseptibilitas linier :

c ⁽¹⁾ + 1/8 c ⁽³⁾ Ew ² (8)

Jika n_o adalah indeks bias sebelumnya, maka dalam keadaan dilalui cahaya berintensitas I (µ Ew ²) indeks itu bergeser menjadi :

n = n_o + n₂I (9)

dengan n₂ merupakan parameter yang bergantung pada c ⁽³⁾ dari material. Indeks bias yang bergantung intensitas cahaya tersebut merupakan dasar bagi rekayasa devais untuk switching. Dalam gambar di bawah ini diperlihatkan skema devaisnya.

Gambar 4

Sedangkan gambar 4b. memperlihatkan hubungan antara intensitas transmisi dan intensitas masukan. Selanjutnya dengan menggunakn gabungan medan dc E_dc dan medan Ew cos w t, polarisasi yang berkaitan dengan nonlinier order-3 mengandung

½ c ⁽³⁾ Ew E_dc² cos w t (10)

Dengan demikian, suseptibilitas linier berubah menjadi :

c ⁽¹⁾ + ½ c ⁽³⁾ Ew ² (11)

sehingga indeks bias bergantung pada E_dc². Peristiwa ini dikenal sebagai efek elektrooptik kuadratik atau efek Kerr. Disamping sebagai modulator, efek ini merupakan dasar bagi optical shutter atau switching dan directional coupler. Seperti diperlihatkan dalam gambar 5 dibawah ini :

Material Optik Nonlinier

1. Waktu respon sangat cepat.
2. Suseptibilitas off-resonance sama atau lebih besar dari pada kristal organik.
3. Mudah difabrikasi.
4. Mudah diintegrasikan di dalam devais.
5. Ambang kerusakannya terhadap laser cukup tinggi
6. Harganya relatif lebih murah.

1. Pemahaman tentang proses optik nonlinier.
2. Kaitan antara proses optik nonlinier dan struktur material.
3. Rekayasa dan sintesis material untuk memperoleh sifat-sifat termal dan mekanik serta stabilitas terhadap cahaya yang baik.

1. T. Kaino and S. Tomaru, Adv. Materials 5, 172(1993)
2. K.Y Wong A. K-Y.Jen. V.P. Rao and K.J. Drost, Jurnal Chem. Phys, 100, 6818(1994)
3. J. Ward, Rev. Mod. Phys, 37, 1(1965)
4. Prasad P.N. and D.J. William, Introduction to Nonlinear Optical Effect in Molecules and Polymers, (1991)
5. Alex K-Y , Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 328, 413, (1994)
6. K.Y. Wong, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 328, 413, (1994)
7. Dulcic, A., C. Flyzantis, C.L. Tang, D. Pepin, M. Fitzon, dan Y. Hoppiliard, Jurnal Chem. Phys. 74, 1559 (1981)
8. Huitjs R.A.,and G.L.J. Hesselink, Chem. Phys. Lett., 156, 209 (1989)
9. M. Kotani, Quantum of Electronic Structure of Simple Molecule, Handbuch der Physics, S. Flugge (ed), Vol. XXXVII/2,1961
10. C.C.J. Roothan, Rev. Mod. Phys. , 23, 69(1951)
11. R.S Mulliken et al., J. Chem. Phys. 17,1248(1949)
12. C.C.J. Roothan, J. Chem. Phys. 19,1445(1951)
13. E. Clementi et. al. , J. Chem Phys. 38,2686(1963)
14. Rustam E. Siregar, Metoda Semiempirik Kimia Kuantum, (1989)
15. H. Suzuki, Electro Absorbtion Spectra and Geometri of Organic Molecules, Acad. Press, (1967). q