​

Bayangkan sedang duduk di kursi putar dengan mata tertutup—bagaimana Anda tahu seberapa cepat Anda berputar? Giroskop tradisional mengandalkan 'rotor' berputar berkecepatan tinggi untuk mendeteksi rotasi, tetapi teknologi modern menawarkan solusi yang lebih cerdas: membiarkan cahaya melaju melalui lapisan serat optik. Ini adalah Fiber Optic Gyroscope (FOG), perangkat mutakhir yang merasakan rotasi dengan akurasi yang tepat tanpa ada bagian yang bergerak.

1. Apa itu Fiber Optic Gyroscope?

Fiber optic gyroscope adalah sensor inersia yang mengukur kecepatan sudut dengan memanfaatkan variasi karakteristik perambatan cahaya dalam kerangka acuan yang berputar. Tidak seperti giroskop MEMS atau giroskop mekanis, ia tidak mengandung blok massa yang berputar atau struktur mekanis. Komponen intinya meliputi loop serat optik yang dililit ganda, sumber cahaya, dan detektor fotolistrik.

Gambar 1.1 FOG sumbu tunggal dalam berbagai ukuran (Sumber: GUIDENAV)

Fiber optic gyroscope menawarkan rentang pengukuran yang sangat luas, mampu mendeteksi rotasi yang sangat lambat (seperti 0,01°/jam ≈ 3×10⁻⁶°/s, atau 1% dari kecepatan sudut rotasi Bumi) dan putaran berkecepatan tinggi seperti baling-baling helikopter (misalnya, 600°/s). Seperti "penggaris pintar," mereka dapat dengan cepat mengukur jembatan sepanjang kilometer sambil membedakan perbedaan tingkat mikron, mencapai keseimbangan luar biasa antara rentang dinamis dan presisi.

Gambar 1.2 FOG Uniaxial, Biaxial, dan Triaxial (Sumber: KVH)

Lebih luar biasa lagi, ia beroperasi pada kecepatan cahaya, memungkinkan "aktivasi instan dengan nol latensi." Tidak seperti giroskop mekanis tradisional yang harus menunggu rotor mencapai keadaan stabil, keunggulan "nol-mulai" ini sangat revolusioner di bidang teknologi tinggi yang membutuhkan respons instan.

Gambar 1.3 FOG presisi rendah skala kecil (Sumber: NEDAERO dan KVH)

Gambar 1.4 Perbandingan FOG sumbu tunggal dan tiga sumbu

Tabel 1.1 Perbandingan Pemilihan Fiber Optic Gyroscope Sumbu Tunggal dan Tiga Sumbu

Fiber optic gyroscope (FOG) memiliki banyak keunggulan, seperti tidak ada bagian mekanis yang bergerak, keandalan tinggi, start-up instan, presisi tinggi, dan integrasi yang mudah. Ini banyak digunakan dalam dirgantara, navigasi kapal, navigasi bawah air, dan sistem pengukuran inersia kelas atas.

Gambar 1.5 Aplikasi Tipikal FOG (Sumber: FOG Photonics)

II. Prinsip Inti – Efek Sagnac

Inti dari fiber optic gyroscope adalah percobaan pikiran sederhana:

Bayangkan jalur melingkar di mana dua pelari mulai secara bersamaan dari titik yang sama—satu berlari searah jarum jam dan yang lainnya berlawanan arah jarum jam. Jika jalur itu sendiri berputar, pelari searah jarum jam akan mencapai garis finish terlebih dahulu dengan "menghadap" arah rotasi, sementara pelari berlawanan arah jarum jam akan tiba sedikit kemudian dengan "mengejar" arah tersebut. Meskipun keduanya menempuh jarak yang sama, waktu kedatangan mereka berbeda tipis.

Gambar 2.1 Dua pelari yang bergerak berlawanan arah bertemu di titik yang berubah saat jalur berputar

Dalam efek Sagnac, perambatan cahaya dalam jalur optik cincin sangat mirip dengan proses ini. Meskipun dua berkas cahaya yang merambat searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam mengikuti jalur geometris yang sama, perbedaan waktu dalam kedatangan mereka di detektor disebabkan oleh rotasi sistem selama perambatan, yang menghasilkan perbedaan fase.

Gambar 2.2 Efek Sagnac

Dalam giroskop serat optik, cahaya berperilaku seperti dua atlet dengan kecepatan yang sebanding, dengan serat bertindak sebagai jalur balapan mereka. Inti dari fenomena ini dalam ranah optik bahkan lebih luar biasa—itu melampaui superposisi sederhana yang diamati dalam fisika klasik. Menurut relativitas, kecepatan cahaya tetap konstan. Yang benar-benar berubah adalah 'jalur efektif' yang harus dilalui cahaya dalam sirkuit yang berputar.

Cahaya koherensi rendah dari sumber dibagi menjadi dua berkas dan disuntikkan ke dalam serat yang sama, dengan satu berkas bergerak searah jarum jam dan yang lainnya berlawanan arah jarum jam. Ketika perangkat diam, kedua berkas kembali secara bersamaan tanpa gangguan. Namun, ketika perangkat berputar, berkas yang bergerak searah jarum jam terus-menerus 'melarikan diri' dari titik akhirnya dan harus menempuh jarak ekstra, sementara titik akhir berkas berlawanan arah jarum jam 'mendekati'nya secara langsung.

Gambar 2.3 Cahaya masuk dan keluar dari jalur optik

Perbedaan fase ini sangat kecil, diukur dalam pikodetik (sepersejuta detik), namun dapat ditangkap oleh sistem optik canggih dan diubah menjadi sinyal rotasi. Eksperimen menunjukkan bahwa besarnya perbedaan fase ini berbanding lurus dengan kecepatan sudut rotasi sistem, yang memungkinkan kecepatan sudut disimpulkan dengan mendeteksi perubahan fase dalam sinyal interferensi. Fenomena ini, yang dikenal sebagai efek Sagnac, membentuk dasar fisik untuk pengukuran kecepatan sudut dalam fiber optic gyroscope.

III. Komposisi

Fiber optic gyroscope didasarkan pada efek Sagnac untuk mengukur kecepatan sudut rotasi, tetapi prinsip fisik saja tidak cukup, tetapi juga membutuhkan serangkaian perangkat tertentu, untuk mengubah efek optik kecil ini menjadi hasil pengukuran yang dapat dibaca.

Secara keseluruhan, fiber optic gyroscope bukanlah perangkat tunggal, tetapi kombinasi dari beberapa komponen termasuk sumber cahaya, coupler, loop serat, detektor, dan rangkaian pemrosesan sinyal. Komponen-komponen ini bekerja bersama untuk memungkinkan perambatan dan interferensi cahaya di dalam serat, yang pada akhirnya menghasilkan sinyal listrik yang terkait dengan rotasi.

Gambar 3.1 Alur kerja FOG loop terbuka tipikal

Gambar 3.2 Alur Kerja FOG Loop Tertutup Tipikal

​