3.1 Sumber Cahaya

Sumber cahaya adalah titik awal sinyal optik dalam giroskop serat optik. Fungsi utamanya adalah menghasilkan cahaya yang stabil dan mengirimkannya ke dalam sistem. Sering digunakan cahaya koherensi rendah, seperti SLD atau sumber cahaya ASE.

Gambar 3.3 Sumber cahaya FOG

Cahaya yang dipancarkan oleh sumber pertama kali masuk ke coupler, yang membagi cahaya secara merata menjadi dua berkas dan mengarahkannya secara terpisah ke jalur optik berikutnya (serat optik). Melalui coupler, cahaya yang awalnya satu jalur dialokasikan untuk merambat dalam arah searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam, meletakkan dasar untuk pemanfaatan selanjutnya dari efek Sagnac.

3.2 Coupler

Coupler serat optik adalah komponen serat optik yang dirancang untuk mendistribusikan ulang sinyal optik. Ini mencakup berbagai perangkat serat optik seperti splitter optik, combiner optik, dan coupler optik. Komponen ini dapat mendistribusikan sinyal dari satu serat ke beberapa serat atau menggabungkan sinyal dari beberapa serat menjadi satu serat.

(1) X-Type coupler

Gambar 3.4 Coupler Serat Optik

X-coupler mengintegrasikan fungsi splitter dan combiner dalam satu paket. Ini menggabungkan dan mendistribusikan daya optik dari dua serat input, kemudian mentransmisikannya secara terpisah ke dua serat output. Juga dikenal sebagai coupler 2×2.

Gambar 3.5 X-type Coupler (2x2)

(2) Y-waveguide

Waveguide sambungan-Y adalah jenis coupler berbentuk-Y yang menampilkan konfigurasi-Y yang khas.

Cahaya dari sumber masuk ke waveguide-Y dan dibagi menjadi dua berkas oleh waveguide cabang-Y. Berkas-berkas ini merambat ke dalam kumparan serat dalam arah searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam, masing-masing. Setelah menyelesaikan satu siklus penuh di dalam kumparan serat, berkas-berkas tersebut digabungkan kembali menjadi satu berkas oleh waveguide cabang-Y dan akhirnya mencapai fotodetektor.

Selain fungsi membagi dan menggabungkan cahaya, waveguide-Y juga dapat mewujudkan fungsi polarisasi dan depolarisasi, modulasi fase, dan sebagainya.

Gambar 3.6 Perangkat Optik Terintegrasi Multifungsi dari Lithium Bismuth Oxide (Y Waveguide)

3.3 Cincin Serat Optik

Setelah memasuki coupler 2×2, cahaya melewati waveguide-Y ke dalam loop serat optik. Loop ini, yang dibentuk dengan melilitkan serat yang diperpanjang, memungkinkan cahaya merambat di sepanjang jalur tertutup. Ketika cahaya merambat searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam secara bersamaan di dalam loop, rotasi serat menciptakan sedikit perbedaan waktu antara kedua berkas, menghasilkan perbedaan fase. Fenomena ini, yang dikenal sebagai efek Sagnac, membentuk mekanisme inti yang digunakan giroskop serat untuk mendeteksi informasi rotasi.

Untuk mendeteksi rotasi kecil, serat optik membutuhkan panjang ratusan atau bahkan ribuan meter. Meskipun jalur optik yang luas seperti itu tidak praktis, efek Sagnac mengungkapkan bahwa sensitivitas berbanding lurus dengan area yang tertutup oleh jalur optik. Dengan melilitkan serat fleksibel beberapa kali, kita dapat mempertahankan area efektif yang sama sambil secara signifikan mengurangi dimensi fisiknya.

Gambar 3.7 Cincin Serat Optik

Dalam giroskop serat optik, serat optik biasanya dililit dalam puluhan, ratusan, atau bahkan lebih banyak putaran. Ini karena perbedaan fase yang dihasilkan oleh efek Sagnac bergantung pada area efektif yang tertutup oleh jalur optik, bukan hanya pada ukuran satu putaran. Dengan meningkatkan jumlah putaran lilitan, jarak perambatan cahaya dapat diperpanjang secara signifikan dalam volume terbatas, sehingga memperkuat perbedaan waktu dan fase yang disebabkan oleh rotasi.

Prinsipnya dapat dipahami secara sederhana sebagai: semakin lama cahaya melewati loop serat, semakin jelas efek rotasi. Ini menjelaskan mengapa giroskop serat presisi tinggi biasanya menampilkan loop serat yang lebih panjang, sementara perangkat presisi rendah atau pendidikan menggunakan panjang serat yang relatif lebih pendek. Kualitas lilitan loop serat secara langsung memengaruhi akurasi pengukuran giroskop serat, yang membutuhkan peralatan lilitan presisi tinggi khusus. Giroskop serat tidak hanya mengandalkan prinsip-prinsip fisik yang canggih tetapi juga menuntut proses manufaktur yang sangat ketat.

GAMBAR 3.8 Sistem loop serat optik

3.4 Detektor Fotoelektrik

Dalam giroskop serat optik, fotodetektor diposisikan di ujung sistem optik. Fungsi utamanya adalah menerima sinyal cahaya yang dipantulkan dari loop serat dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Sebagai perangkat berdasarkan efek fotoelektrik, fotodetektor mengubah sinyal optik menjadi sinyal listrik. Berfungsi seperti mata manusia, memungkinkan deteksi sinyal samar yang terlihat dan tidak terlihat.

Interferensi optik terjadi ketika dua berkas cahaya yang merambat searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam bertemu kembali di dalam sistem. Rotasi menciptakan perbedaan fase antara berkas, menyebabkan intensitas cahaya interferensi berfluktuasi. Detektor fotoelektrik menggunakan fenomena ini untuk mengubah variasi intensitas kecil menjadi sinyal listrik. Karena sinyal interferensi biasanya sangat lemah, detektor ini harus memiliki sensitivitas tinggi untuk memastikan rangkaian selanjutnya dapat secara akurat menangkap informasi terkait rotasi.

Gambar 3.9 Detektor Fotoelektrik

3.5 Rangkaian Pemrosesan Sinyal

Sinyal listrik yang dikeluarkan oleh fotodetektor sangat lemah dan tidak dapat digunakan secara langsung. Oleh karena itu, serangkaian langkah pemrosesan sinyal diperlukan untuk mendapatkan pengukuran akhir kecepatan sudut rotasi. Seluruh proses dapat dibagi secara sederhana menjadi langkah-langkah berikut:

Ø Pra-penguatan: Meningkatkan sinyal listrik yang sangat lemah ke tingkat yang sesuai untuk pemrosesan yang stabil oleh rangkaian selanjutnya.

Ø Konversi dan demodulasi sinyal: Sinyal listrik yang diperkuat diubah menjadi proses sinyal yang dapat diproses oleh komputer atau rangkaian digital, dan informasi yang terkait dengan perbedaan fase optik diekstraksi darinya.

Ø Kontrol dan Output: Pengontrol menghitung nilai yang sesuai dengan kecepatan sudut rotasi berdasarkan hasil demodulasi, dan memberikan hasil ke sistem eksternal melalui antarmuka output.

Gambar 3.10: Rangkaian Pemrosesan Sinyal FOG (Papan Rangkaian Atas dalam Diagram)

IV. Ringkasan

Fitur yang menentukan dari giroskop serat optik adalah penggunaan cahaya daripada struktur mekanis untuk mengukur rotasi, yang memberi mereka keuntungan yang berbeda dalam metrik kinerja kritis:

Ø Presisi tinggi: Sistem mengukur rotasi menggunakan prinsip optik, menghilangkan ketergantungan pada getaran mekanis untuk meningkatkan akurasi.

Ø Kinerja stabil: Tidak adanya komponen mekanis berkecepatan tinggi di dalam memastikan drift minimal selama pengoperasian yang berkepanjangan.

Ø Ketahanan getaran dan benturan yang sangat baik: Mempertahankan kinerja pengukuran yang andal bahkan di lingkungan yang bergetar seperti pesawat terbang dan kapal.

Ø Keandalan tinggi dan umur panjang: Serat optik dan komponen menunjukkan keausan minimal, menjadikannya ideal untuk pengoperasian jangka panjang yang berkelanjutan.

Terlepas dari kinerja superior mereka, giroskop serat optik tidak berlaku secara universal.

Ø Ukuran dan berat yang besar: Kebutuhan untuk melilitkan serat optik yang panjang membuat miniaturisasi menjadi tantangan.

Ø Biaya tinggi: Biaya meningkat karena bahan serat, komponen optik, dan proses manufaktur presisi.

Ø Konsumsi daya tinggi: Tidak ideal untuk perangkat mikro bertenaga baterai.

Giroskop serat optik tidak dimaksudkan untuk menggantikan semua giroskop, melainkan untuk memainkan peran penting di bidang yang membutuhkan presisi tinggi, keandalan, dan kemampuan beradaptasi lingkungan. Tidak seperti giroskop MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) konvensional, mereka berfungsi lebih seperti 'pelari jarak jauh profesional' — memprioritaskan stabilitas dan akurasi daripada miniaturisasi ekstrem dan efektivitas biaya, diam-diam mempertahankan orientasi di aplikasi kedirgantaraan, laut dalam, dan peralatan kelas atas.

Lain kali Anda naik pesawat atau membayangkan penyelidikan laut dalam yang bernavigasi secara otonom, ingatlah bahwa seberkas cahaya mungkin sedang berlomba melalui loop serat optik yang halus, menggunakan perbedaan waktunya yang halus untuk memandu jalan kita.

​