penguatan-parutanterhadap mod-modelektromagnet pada pandu gelombang … · penguatan-parutandan...

9
Pertanika J. Sci. & Techno!. 5(2): 201-209 (1997) ISSN: 0128-7680 © Universiti Putra Malaysia Press Penguatan-parutan Terhadap Mod-mod Elektromagnet pada Pandu Gelombang Organik. Tripalmitin W. Mahmood Mat Yunus Jabatan Fizik Fakulti Sains dan Pengajian Alam Sekitar Universiti Putra Malaysia 43400 UPM, Serdang, Selangor, Malaysia Diterima 12 Oktober 1995 ABSTRAK Penguatan-parutan dan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan sinar cahaya terkutub P dan S yang terpantul dari parutan emas bersalut organik tripalmitin pada kedudukan berbagai-bagai sudut putaran diukur sebagai fungsi kepada sudut tuju. Ciri mod-mod TE dan TM dalam ungkapan sudut putaran dibincangkan dengan terperinci. Diperhatikan juga bahawa pertukaran maksimum pengutuban P-S untuk mod-mod TEl' TE 2 dan TM 2 masing-masing berlaku pada sudut tuju 40, 50 dan 64°. Dari uji kaji ini ternyata bahawa organik tripalmitin adalah bahan pandu gelombang yang baik dan perlu dikaji dengan lebih terperinci. ABSTRACf Grating-enhancement and characterization of electromagnetic modes in organic waveguides are presented. The intensity of P and S polarized light reflected from the gold grating with organic tripalmitin coating at varying twist angles was measured as a function of angle of incidence. The characteristic behaviour of TE and TM modes in terms of twist angles is discussed in detail. It was discovered that the maximum P-S conversion of TEl' TE 2 and TM 2 modes occurred at twist angles of 40, 50 and 64° respectively. In this experiment it was found that organic tripalmitin is a good candidate for waveguide material and needs to be studied in more detail. Kata kunci: penguatan-parutan, mod-mod eletromagnet pandu gelombang, organik tripalmitin PENDAHULUAN Mod gelombang elektromagnet pada pandu-gelombang optik bahan organik telah menjadi tumpuan ahli-ahli sains beberapa tahun kebelakangan ini (Chemla and Zyss 1987). Berbagai-bagai reka bentuk yang sangat berguna boleh dibuat berkaitan dengan pemprosesan isyarat optik termasuklah modulasi cahaya, penjanaan harmonik kedua dan logik optik (Gaylord and Moharam 1986; Ulrich 1988). Bahan organik mendapat tumpuan kerana kebanyakannya mempunyai sifat transmisi yang baik pada selajarak gelombang nampak hingga ke jarak infra merah. Bahan organik juga boleh disalut menjadi saput tipis dengan mudah menggunakan kaedah putaran laju dan kaedah peruwapan vakum. Oleh itu kertas ini bertujuan membincangkan mod-mod elektromagnet

Upload: truongdiep

Post on 08-May-2019

245 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

Pertanika J. Sci. & Techno!. 5(2): 201-209 (1997)ISSN: 0128-7680

© Universiti Putra Malaysia Press

Penguatan-parutan Terhadap Mod-mod Elektromagnet padaPandu Gelombang Organik. Tripalmitin

W. Mahmood Mat YunusJabatan Fizik

Fakulti Sains dan Pengajian Alam SekitarUniversiti Putra Malaysia

43400 UPM, Serdang, Selangor, Malaysia

Diterima 12 Oktober 1995

ABSTRAK

Penguatan-parutan dan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombangorganik tripalmitin dikemukakan. Keamatan sinar cahaya terkutub P dan Syang terpantul dari parutan emas bersalut organik tripalmitin pada kedudukanberbagai-bagai sudut putaran diukur sebagai fungsi kepada sudut tuju. Cirimod-mod TE dan TM dalam ungkapan sudut putaran dibincangkan denganterperinci. Diperhatikan juga bahawa pertukaran maksimum pengutuban P-Suntuk mod-mod TEl' TE2 dan TM2 masing-masing berlaku pada sudut tuju 40,50 dan 64°. Dari uji kaji ini ternyata bahawa organik tripalmitin adalah bahanpandu gelombang yang baik dan perlu dikaji dengan lebih terperinci.

ABSTRACf

Grating-enhancement and characterization of electromagnetic modes in organicwaveguides are presented. The intensity of P and S polarized light reflectedfrom the gold grating with organic tripalmitin coating at varying twist angleswas measured as a function of angle of incidence. The characteristic behaviourof TE and TM modes in terms of twist angles is discussed in detail. It wasdiscovered that the maximum P-S conversion of TEl' TE

2and TM

2modes

occurred at twist angles of 40, 50 and 64° respectively. In this experiment it wasfound that organic tripalmitin is a good candidate for waveguide material andneeds to be studied in more detail.

Kata kunci: penguatan-parutan, mod-mod eletromagnet pandu gelombang,organik tripalmitin

PENDAHULUAN

Mod gelombang elektromagnet pada pandu-gelombang optik bahan organiktelah menjadi tumpuan ahli-ahli sains beberapa tahun kebelakangan ini (Chemlaand Zyss 1987). Berbagai-bagai reka bentuk yang sangat berguna boleh dibuatberkaitan dengan pemprosesan isyarat optik termasuklah modulasi cahaya,penjanaan harmonik kedua dan logik optik (Gaylord and Moharam 1986;Ulrich 1988). Bahan organik mendapat tumpuan kerana kebanyakannyamempunyai sifat transmisi yang baik pada selajarak gelombang nampak hinggake jarak infra merah. Bahan organik juga boleh disalut menjadi saput tipisdengan mudah menggunakan kaedah putaran laju dan kaedah peruwapanvakum. Oleh itu kertas ini bertujuan membincangkan mod-mod elektromagnet

Page 2: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

W. Mahmood Mat Yunus

pada pandu ge10mbang parutan tripalmitin sebagai bahan pandu ge10mbangorganik.

KAEDAH DAN UJI KAJI

Parutan silika yang disediakan dengan teknik holografik digunakan dalam kajianini. Lapisan logam emas disalutkan pada permukaan parutan denganmenggunakan teknik peruwapan vakum (tekanan - 10-6 torr). Lapisan emasdianggarkan dalam julat sekitar -150nm dengan profil permukaan berbentuksinusoidal. Sinar alur laser (632.8 nm) terkutub P (atau S) disinarkan dengansatah tuju tegak dengan permukaan parutan. Rajah lea) menunjukkan struktursampe1 yang digunakan dalam uji kaji ini. Rajah l(b) menjelaskan kaedah uji kajidan orientasi kedudukan sampe1 pandu ge10mbang grating relatif kepada satahtuju. Siri uji kaji pertama dilakukan dengan mengukur keterpantulan optik pada<j> = 0 sebagai fungsi kepada sudut tuju, 8 untuk parutan silika bersalut logamemas. Data uji kaji untuk pengukuran ini di analisis dengan kaedah penyesesuaiandata uji kaji dan teori (Bryan-Brown et at. 1991, 1997; Mahmood 1996) untukmendapatkan nilai tempoh parutan (Ag) yang berkenaan. Kemudian lapisanorganik tripalmitin diendapkan ke atas lapisan logam emas dengan kaedah yangsarna seperti endapan lapisan emas ke atas parutan supaya membentuk pandugelombang. Ketebalan lapisan tripalmitin dianggarkan dalam julat - 450nm.Pengukuran keterpantulan optik sebagai fungsi kepada sudut tuju 8 dilakusemula untuk nilai <j> = 0, 10, 20, 30, 40, 50, 80°. Sudut <j> ialah sudut putaranparutan re1atif kepada satah tuju. Untuk setiap ¢ yang dipilih pencerapan dataketerpantulan dilakukan untuk setiap pertambahan 8 = 0.1°. Kejituan putaransudut 8 ialah 0.001°. Putaran meja sampel dan pengesan dilakukan dengankawalan komputer IBM/386. Dalam kes ini pengesan fotodiod berputar dua kalisudut putaran sampe1 (8-28 putaran). Pada <I> = 0 vektor parutan, k = 2 1t/A.

g gadalah se1ari dengan unjuran vektor gelombag folOn, k.(foton) = k

o(foton)sin8.

Bil <I> :;:. 0, sistem tidak lagi berkeadaan simetri, fenomenon pertukaranpengutuban P-S terjadi (Elston et al. 1991; Bryan-Brown et at. 1991a). Untuk kesini k

modboleh ditulis sebagai

(1)

Untuk mengukur keterpantulan optik ~s sebagai fungsi kepada sudut tuju 8,satu plat pengkutub diletak di depan pengesan isyarat pantulan (lihat Rajah1(a). Plat pengkutub ini diputar sehingga medan elektrik alur laser berkeadaantegak dengan satah tuju. Keadaan ini membenarkan hanya alur cahaya terkutubS sahaja yang dikesan oleh pengesan fotodiod. Semua isyarat optik yang dikesandiproses dengan menggunakan amplifier berkunci.

HASIL DAN PERBINCANGAN

Dari penentuan sudut kritikal, 8c parutan bersalut dengan logam emas, tempoh(A.) parutan ditentukan bernilai 800.0nm dengan profil permukaan parutan

g

202 PertanikaJ. Sci. & Techno!. Vo!.:> 0.2, 1997

Page 3: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

Penguatan-pannan Terhadap Mod-mod Elektromagnet

Sinar Tuju Normal

(a)

Normal

(b)

Satah Tuju

ParutanNormal

Rajah 1. Strnktur pandu gelombang parntan tripalmitin dankaedah uji kaji

berbentuk sinusoidal. Pemalar dielektrik juga ditentukan sebagai bernilai,£ = -(10.582) + i (1.034). Setelah parutan emas disalut dengan lapisan organiktripalmitin, keterpantulan optik, ~p (pada <j> = 0) diukur untuk sela sudut tuju,8 = 0° hingga 8 = 80°. Spektrum keterpantulan ini ditunjukkan pada Rajah 2(b)di mana terdapat dua mod resonan yang cukup tajam pada 8=26.70° dan8 = 41.60°. Mod resonan yang lebih lebar wujud pada 8=73.50°. Mod ini adalahmod SPP. Pada keadaan ini kspp ditulis sebagai

= ±1, ±2, .

ko sin8 spp ± NK g (2)

PenanikaJ. Sci. & Techno!. Vo!. 5 No.2, 1997 203

Page 4: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

W. Mahmood Mat Yunus

1.99

~ 9.59=:,iC-o

9.69cos] TEcos (a)Co 9.49....:l..::.I:

9.29

TEz TEl

9.009.9 20.0 40.0

Sudut Tuju, 9

1.99

~ 9.59=:.:ii0 9.69cOS (b)]COS 9.49Co....:l..::.I:

9.29

TMzTMo

9.009.9 20.0 40.0 60.0 80.0

Sudut Tuju, 9

Rajah 2. Plot keterpantukan aptik, lawan suduttuju, e (a) untuk, RI'I' (b) untuk R'i.~

£ dan lOt ialah pemalar dielektrik logam emas dan tripalmitin. Isyarat optikyang gdikesan pada sudut e > 73.5° menunjukkan adanya fungsi pengesan yangketara. Untuk perbincangan seterusnya mod-mod tersebut ditanda sebagai,TM

o' TM, dan TM

2, seperti pada Rajah 2(b).

Pencerapan data keterpantulan optik yang serupa dilakukan kepada alurlaser terkutub S. Hasil yang serupa ditunjukkan pada Rajah 2(a). Kes ini jugamenunjukkan terdapat tiga mod resonan yang tajam pada sudut e = 14.75,30.71 dan 40.73°. Fungsi pengesan juga dianggap berlaku pada sudut tujumelebihi 73°. Ketiga-tiga mod ini disimbolkan dengan tandaan TEl' TE2, danTE. Untuk kes ini tidak wujud mod SPP, kerana tidak ada komponen medanelektrik dalam arah modulasi parutan. Nilai keterpantulan optik, l\p dan ~

204 PertanikaJ. Sci. & Technol. Vol. 5 No.2, 1997

Page 5: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

Penguatan-parutan Terhadap Mod-mod Elektromagnet

yang maksimum, masing-masing berlaku pada nilai S := 19.60° dan S := 62.00°dengan nilai ~p dan ~ direkodkan sebagai 0.82 dan 0.92.

Bila kedudukan sampel (pandu gelombang di atas parutan) diputar relatifkepada satah tuju, dengan mengekalkan satah tuju bersudut tegak dengansatah parutan, pertukaran pengutuban P-S alur tuju berlaku, akibatnya mod­mod TE dan TM wujud pada kedua-dua keadaan, ~p dan ~. Fenomena ~pini ditunjukkan oleh lengkung, (a) pada Rajah 3 (a), (b), (c) khusus untukkedudukan sampel pada 4> := 30, 40 dan 80°. Lengkung (b) pada Rajah 3 (a), (b),(c) ialah keterpantulan optik, ~ yang menjelaskan fenomena pertukaranpengutuban P-S. Ternyata hanya mod-mod TEl' TE2 dan TM2 sahaja yang jelasmenunjukkan fenomena P-S. Mod-mod yang lain wujud dengan keamatan yangkecil dan tidak dapat dikesan dalam uji kaji ini (misalnya mod TM

Idalam Rajah

3(b). Plot keupayaan pertukaran pengutuban P-S untuk tiga mod TEl' TE2

danTM

2ditunjukkan pada Rajah 4. Ketiga-tiga plot tersebut menunjukkan nilai

maksimum dicapai masing-masing pada 8 := 40, 50, 64°. Keadaan ini berbezadengan fenomena pertukaran pengutuban untuk mod SPP yang mencapai nilaimaksimum pada 4> := 45° untuk parutan perak dan parutan emas yang dilaporkansebelum ini (Elston et al. 1991; Bryan-Brown et at. 1991b; Mahmood 1996).

Kesemua mod-mod yang wujud didapati berganjak kepada sudut tuju, Syang lebih besar bila, sudut putaran S bertambah. Perubahan mod-mod initerhadap sudut putaran 4> ditunjukkan pada Rajah 5 dan ianya tidak berubahsecara linear serupa seperti mod SPP yang dilaporkan sebelum ini untuk kesparutan emas (Mahmood 1996). Untuk kes pandu gelombang tripalmitin ini,mod SPP hanya dapat dikesan sehingga sudut 4> ,,;; 30° sahaja.

Berdasarkan kepada persamaan (1) plot (kmod/k) sebagai fungsi kepadasudut 4> dan plot sin28 lawan sinScos4> ditunjukkan pada Rajah 6 dan 7. PlotRajah 6 menjelaskan bahawa kmod tidak bergantung kepada sudut 4>, sementaradari plot Rajah 7, nilai \ (pandu gelombang di atas parutan) dapat ditentukandari nilai kecerunan garis lurus untuk setiap mod. Dalam kajian ini nilai A.ditentukan dari plot sin2 S lawan sinScos4> Rajah 7 ialah 795.8nm. Nilai in~hampir dengan nilai \ yang ditentukan dari sudut kritikal, Sc pada parutanyang bersalut logam emas sahaja. Hasil ini menjelaskan bahawa, kedua-dualapisan logam emas dan organik tripalmitin di atas parutan silika yangmembentuk pandu gelombang adalah berbentuk sinusoidal dengan tempohsinusoidalnya adalah hampir sarna. Namun demikian profil kedua lapisanmungkin tidak mempunyai amplitud yang sarna. Keadaan ini belum dapatdisahkan dan masih dalam kajian. Umumnya keseluruhan hasil uji kaji inimenunjukkan bahawa mod-mod resonan elektromagnet pada pandu gelombangboleh dengan mudah diperkuat dengan menggunakan gandingan parutan dandi samping itu mengesahkan bahawa bahan tripalmitin sebagai calon yang baikuntuk bahan pandu gelombang.

PENGHARGAAN

Uji kaji dilakukan di Jabatan Fizik, University of Exeter, u.K. dibawah programcuti sabatikal. Pengarang mengucapkan terima kasih kepada Commonwealth

PertanikaJ. Sci. & Technol. Vol. 5 o. 2, 1997 205

Page 6: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

W. Mahmood Mat Yunus

(al

1.00

'l>r£ 9.1l0

~~oi 9.68'l:Q,0c" 8.4e:;1:"Q,..... 9.28...:.=

9.9.9 28.9 -40.8

(b)Rrs

68.9 ee.9

206

Sudut Tuju, II

1.00

'1;CI:

i 9.1l0 (a)R..

:iQ. 9.680c (b)

":;1: 8."0

"Q,...~..

9.28:.= TM,Tit,

TIl:. (b)R,'S

9.9.9 28.9 <e.9 6/iJ.9 ee.9

Sudut Thju, II

1.00

'1;CI:

9.ae

i~ ".68Q.0c (e)

":; "._9 (a)R..1:"eo..

TE, 'I'M,.. ".28:.=TE,

(b)R...

9.9." 29... <e•• 68.9 89.9

Sudut Thju, II

Rajah 3. Plot keterpantulan optik, Rpp dan Rp, lawan sudut tuju e, padasudut putaran (a)ep =30, (b)ep =40, (c)ep =80

PertanikaJ. Sci. & Technol. Vol. 5 No.2, 1997

Page 7: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

Penguatan-parutan Terhadap Mod-mod Elektromagnet

0.30 TEo

0.25~=:

.:l':::l 0.20Co0I:..

0.15:9Iieo 0.10.....

::IlIl

0.05

0. 00 .:j.,.,.."""'''''''''''''''''''''''''TTT'''''''''TTT'O''''TT''TTT'''''''TTT''''''''''''''''0.00 20.00 '10.00 60.00 80.00 100.00

Sudut Putaran, •

Rajah 4. Kemampuan pertukaran pengutuban P-S,R", lawan sudut putaran ep

80.00

60.00

1CD 40.00

20.00

0. 00 -h,1"n'l1"n'l'TTTTTTTTTTTTTTTrTTrTTl"n'lrTT'l'TTTTTTTTTTTT'M

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

Sudul Putaran, ~

Rajah 5. Sudut mod, 8mod

diplot melawan sudut putaran, ep

Fellowship, Malaysia Toray Science Foundation dan Universiti Putra Malaysiakerana membiayai program ini. Pengarangjuga ingin merakamkan penghargaankepada Prof. J.R. Sambles, E.L. Wood dan kumpulan saput tipis University ofI ,cter atas segala bantuan berupa teknikal dan program komputer.

PertanikaJ. Sci. & Technol. Vol. 5 0.2,1997 207

Page 8: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

W. Mahmood Mat Yunus

1.80SPP

1.60

1.40

1.20

1.00

TMITEl

TE

0.80 -t.-......,rTT'T...,...........,.,.,.TfTTTT......,'TTTTT'I"rTT'TTTT........,.,.,..,0.00

1.00

0.80

~0.110

tI.l

0.40

0.20

0.000.00 0.80

\spp

1.00

Rajah 7. Plot Sin2e lawan Sine CostP untukmod-mod yang wujud pada Rajah 6

RUJUKANBRYAN-BROWN, G.P, SJ. ELSTON and J.R SAMBLES. 1991a. Coupled surface plasmons on

silver coated gratings. Opt. Comm. 82: 1-5.

BRYAN-BROWN, G.P, SJ. ElSfO andJ.R. SAMBLES. 1991b. Polarization conversion throughthe excitation of electromagnetic modes on a parutan. In Int. Con[. on the Applicationand Theory oj Periodic Structure. SPIE 1545: 167-178.

208 PertanikaJ. Sci. & Techno\. Vo\. 5 No.2, 1997

Page 9: Penguatan-parutanTerhadap Mod-modElektromagnet pada Pandu Gelombang … · Penguatan-parutandan pencirian mod elektromagnet pada pandu gelombang organik tripalmitin dikemukakan. Keamatan

• Penguatan-parutan Terhadap Mod-mod Elektromagnet

BRYAN-BROWN, G.P, SJ. ELSTON andJ.R SAMBLES. 1997. Comparision of metal parametersobtained from prism and parutan coupling to surface plasmon polaritons. J Mod.opt. 38: 1181-1187.

CHEMLA, D.S. and J. Zvss. 1987. Nonlinear optical Properties of Organic Molecules and Crystals.New York: Academic Press.

ELSTON, SJ., G.P. BRYAN-BROWN and J.R SAMBLES. 1991. Polarization conversion fromdiffraction gratings. Phys. Rev. B 44: 6393-6400.

GAYLORD, T.K. and M.G. MaHAKAM. 1986. Analysis and applications of optical diffractionby gratings. Pmc. IEEE 73: 894-937.

MAHMOOD MAT YUNUS, W. 1996. Pencirian plasmon-polariton permukaan melalui gandinganparutan. Pcrtanika J Sci & TechnoL 4: 221-230.

ULRICH, R. 1988. Nonlinear optical organics and devices In Organic Materials for Nonlinearoptics, ed. RA. Hann and D. Bloor, p. 241-263. London: Royal Sociaty of Chemistry.

PertanikaJ. Sci. & Technol. Vol. 5 No.2, 1997 209