02 Juni 2015

Nobel Fisika 2009: Tentang Cahaya dan Narasi Pengembangan Teknologi Komunikasi

Ads by Google


Ketika pengumuman fisikawan penerima Hadiah Nobel dalam Bidang Fisika pada tahun 2009 di Stockholm, Swedia, hampir seluruh bagian dunia dapat dengan segera menerima dan mengetahui informasi tersebut. Dengan kecepatan yang menghampiri kecepatan cahaya, kecepatan tertinggi yang dapat dicapai oleh benda yang ada di alam semesta ini, informasi tersebut segera menyebar ke seluruh dunia. Informasi berupa teks, gambar, pidato, dan video disalurkan melalui jaringan serat optik melintasi ruang, dan segera dapat diterima dengan menggunakan peralatan penerima yang berukuran kecil. Jaringan serat optik menjadi sebuah prasyarat perkembangan bidang telekomunikasi yang sangat cepat sekarang ini, merupakan perkembangan yang telah diprediksi oleh Charles Kao sekitar 46 tahun yang lampau.

Hanya berselang beberapa tahun kemudian, Williard Boyle dan George Smith mengubah secara radikal bidang fotografi, dimana film tidak lagi diperlukan pada kamera karena gambar telah dapat ditangkap langsung secara elektronik dengan menggunakan sebuah sensor gambar. Sensor penangkap gambar ini, layaknya sebuah mata elektronik, yang disebut CCD, menjadi teknologi pertama yang benar-benar berhasil dalam melakukan pengubahan gambar menjadi data digital. Dan hanya serat optiklah yang dapat mentransfer sejumlah besar data yang dihasilkan oleh teknologi sensor gambar elektronik itu.

Cahaya Datang

Kita bisa melihat dunia ini karena cahaya matahari. Meskipun demikian, dibutuhkan waktu yang lama sebelum akhirnya kita memperoleh kemampuan dalam mengontrol cahaya dan memanipulasinya menjadi sebuah gelombang pemandu. Dengan cara inilah pesan yang telah terkode dapat dipancarkan kepada khalayak secara bersamaan.

Perkembangan ini membutuhkan banyak penemuan, besar maupun kecil, yang membentuk fondasi masyarakat informasi modern sekarang ini. Serat optik memerlukan teknologi pengolahan kaca modern agar serat optik dapat dikembangkan dan diproduksi. Sejumlah sumber cahaya yang reliabel dibutuhkan untuk keperluan ini, keperluan ini dipenuhi oleh teknologi semikonduktor. Terakhir, diperlukan sebuah jaringan yang cerdas untuk dapat menggabungkan dan memaketkan semua data-data tersebut, yang terdiri atas transistor, amplifier, saklar, pemancar dan penerima, dan sebagainya yang saling bekerja sama satu sama lain. Revolusi telekomunikasi ini telah dimungkinkan oleh hasil kerja ribuan ilmuwan dan berbagai penemuan dari seluruh dunia.

Permainan dengan Cahaya

Pada tahun 1889, diadakan pertunjukan dunia di Paris dalam rangka perayaan 10 tahun revolusi Prancis. Menara Eiffel menjadi salah satu dari monumen yang paling terkenal karena adanya pertunjukan ini. Namun demikian, sebuah permainan luar biasa dengan cahaya pada perayaan ini luput dari ingatan orang. Pertunjukan ini berupa air mancur yang dibuat memantulkan berkas cahaya yang berwarna-warni. Pertunjukan ini dimungkinkan karena tersedianya listrik. Sumber inspirasi lainnya, yang berasal dari berbagai upaya yang telah dilakukan oleh orang-orang pada zaman dahulu, pada pertengahan abad ke-19, untuk menghasilkan berkas cahaya yang terpandu oleh air. Percobaan-percobaan yang dilakukan tersebut menunjukkan bahwa jika aliran air diarahkan ke cahaya, maka cahaya akan bergerak melalui aliran air tersebut dan mengikuti bentuk lengkung airnya.

Tentu saja, efek cahaya pada kaca atau air telah ditemukan jauh lebih dahulu dibandingkan dengan efek tersebut. Sejak 4 500-an tahun yang lalu, kaca telah dibuat di Mesopotamia dan Mesir. Ahli kaca Venctian tentu tidak akan mengabaikan permainan indah cahaya yang terjadi pada saat mereka memutar-mutar kaca untuk memberi motif pada kaca itu. Potongan kaca yang digunakan pada tempat lilin, kristal kandil, dan misteri yang sulit dipahami tentang pelangi menantang imajinasi banyak orang jauh sebelum hukum-hukum optika memberikan jawaban terhadap hal-hal tersebut pada abad ke-17. Namun demikian, baru 100-an tahun yang lalu ide ini muncul ke permukaan dan orang-orang mencoba memanfaatkan berkas cahaya yang tertangkap.

Menangkap cahaya

Berkas sinar matahari yang jatuh pada air akan membelok ketika cahaya tersebut mengenai permukaan air. Ini karena indeks bias air lebih besar dibandingkan dengan indeks bias udara. Jika arah cahaya dibalik, yaitu cahaya bergerak dari air memasuki udara, ada kemungkinan bahwa cahaya ini tidak akan memasuki udara sama sekali, tetapi malah akan terpantul kembali ke dalam air. Fenomena ini menjadi dasar teknologi pandu gelombang dimana cahaya dibuat terperangkap di dalam sebuah serat yang memiliki indeks bias yang lebih tinggi dibandingkan indeks bias lingkungannya. Berkas cahaya yang diarahkan ke sebuah serat, akan terpantul dari dinding kaca dan akan bergerak ke depan karena indeks bias kaca lebih tinggi dibandingkan udara di sekitarnya.


Kalangan medis telah menggunakan fiber optik yang pendek dan sederhana sejak tahun 1930-an. Dengan sebuah batang kaca tipis, mereka dapat mengintip ke dalam perut pasien atau menyinari gigi selama operasi. Namun demikian, ketika serat-serat ini saling bersentuhan maka mereka akan mengalami pelemahan cahaya, dan juga akan mudah menjadi aus. Membungkus serat fiber polos dengan menggunakan kaca yang memiliki indeks bias yang lebih rendah diharapkan akan memperbaiki kelemahan ini, hal ini telah membuka jalan bagi industri pembuatan alat-alat gastroskopi dan penggunaan dalam bidang medis lainnya pada tahun 1960-an.

Walaupun demikian, untuk komunikasi jarak jauh, kaca fiber seperti ini tidak dapat digunakan. Tetapi, ada beberapa di antara fisikawan yang benar-benar tertarik pada cahaya optik, dan saat itu merupakan hari-hari berkembangnya teknologi elektronika dan radio. Pada tahun 1956, kawat translantik pertama disebar. Kawat ini memiliki kapasitas yang setara dengan 36 sambungan telepon secara bersamaan. Selanjutnya, perkembangan satelit mulai mewadahi kebutuhan pertumbuhan komunikasi ini –kebutuhan telepon meningkat secara dramatis dan penyiaran televisi membutuhkan kemampuan transfer yang lebih tinggi. Dibandingkan dengan gelombang radio, cahaya inframerah atau cahaya tampak mampu membawa ribuan kali informasi lebih banyak, sehingga potensi gelombang cahaya optis ini tidak dapat dianggap remeh lagi.

Mentransmisikan Cahaya

Penemuan laser di awal tahun 1960 merupakan langkah menentukan ke arah serat optik. Laser merupakan sebuah sumber cahaya yang stabil yang memancarkan cahaya yang sangat terfokus dan intensif, dan dapat dipompa masuk ke dalam serat optik. Laser pertama memancarkan cahaya inframerah dan memerlukan pendinginan dalam operasinya. Sekitar tahun 1970-an laser yang lebih praktis telah dikembangkan dan dapat bekerja secara kontinu pada temperatur ruang. Hal ini merupakan terobosan teknologi yang memfasilitasi berkembangnya komunikasi optik.

Semua informasi sekarang telah dapat dikodekan ke dalam sebuah kedipan cahaya yang sangat cepat, menyatakan kode-kode digital satu dan nol. Namun demikian, persoalan yang dihadapi adalah bagaimana sinyal itu dapat ditransmisikan pada jarak yang sangat jauh. Pada saat itu, setelah menempuh jarak 20 meter, hanya 1 persen dari cahaya yang masuk ke dalam serat kaca yang bisa tersisa.

Persoalan tersebut, yaitu bagaimana mengurangi kehilangan cahaya setelah dilewatkan melalui serat optik, menjadi tantangan bagi orang-orang visioner. Salah satunya adalah Charles Kuen Kao.

Pada saat itu, Kao bekerja di Standard Telecommunication Laboratories. Di sana dia dengan cermat mempelajari serat kaca bersama dengan koleganya yang lebih muda George A. Hockham. Target mereka adalah minimal 1 persen cahaya dari yang masuk ke dalam serat optik akan tersisa setelah menempuh jarak 1 kilometer.

Pada bulan Januari 1966, Kao menyajikan kesimpulan penelitiannya. Bukan cacat pada benang serat ini yang menjadi masalah utama adanya rugi cahaya, tetapi kaca yang digunakan harus lebih dimurnikan. Kao mengakui bahwa proses memurnikan kaca ini dapat dilakukan tetapi caranya sangat sulit. Jadi persoalannya saat itu adalah bagaimana menghasilkan kaca dengan tingkat transparansi (tingkat kemurnian) yang belum pernah diperoleh sebelumnya. Antusiasme Kao atas hal ini menginspirasi peneliti lain untuk menyebarkan visi Kao mengenai potensi ke depan dari serat optik.

Kaca dibuat dari kuarsa, jenis mineral yang paling melimpah di bumi ini. Selama proses produksinya, berbagai jenis bahan tambahan seperti soda dan kapur digunakan untuk memudahkan proses pembuatannya. Namun demikian, untuk menghasilkan kaca yang paling murni di dunia, Kao menunjukkan bahwa leburan kuarsa, leburan silika, dapat digunakan. Bahan-bahan ini dilelehkan pada temperatur hampir 2000 oC, sebuah panas yang sulit dikontrol tetapi dengan panas sebesar inilah baru kita dapat memperoleh benang serat yang sangat tipis.

Empat tahun kemudian, tahun 1971, ilmuwan di Corning Glass Works di Amerika Serikat, sebuah perusahaan pembuat kaca yang telah berpengalaman selama kurang lebih 100 tahun, menghasilkan sebuah serat optik yang panjangnya 1 km melalui sejumlah proses-proses kimiawi.

Mengisi dengan cahaya

Serat sangat tipis yang dibuat dari bahan kaca nampaknya sangat mudah pecah. Namun demikian, jika kaca ini dibuat membentuk seperti benang yang panjang dengan cara yang benar, karakteristiknya akan berubah. Kaca akan berubah menjadi kuat, ringan, dan fleksibel, syarat-syarat yang harus dipenuhi jika serat itu akan dibakar, diproses di bawah air atau dilengkungkan di sekitar sudut-sudutnya. Tidak seperti kabel baja, serat kaca tidak peka terhadap kilat (petir), sehingga berbeda halnya dengan komunikasi radio, komunikasi melalui serat optik tidak terpengaruh oleh cuaca yang buruk.

Dibutuhkan waktu yang cukup lama untuk mengisi bumi ini dengan gulungan-gulungan serat optik. Pada tahun 1988, kabel serat optik pertama ditanam di bawah tanah sepanjang Laut Atlantik antara Amerika Serikat dan Eropa. Panjangnya 6000 km. Dewasa ini, telepon dan komunikasi data mengalir dalam sebuah jaringan serat kaca optik, yang panjang totalnya mencapai 1 milyar kilometer. Jika serat optik sepanjang itu dililitkan ke bola bumi, maka akan menjangkau lebih dari 25 000 kali dan jumlah serat optik terus menerus bertambah setiap jamnya.

Meskipun serat kaca yang digunakan telah sangat murni, masih terjadi pengurangan sinyal sepanjang perjalanannya dan oleh karena itu sinyal tersebut harus diperkuat saat akan bergerak menempuh jarak yang sangat jauh. Tugas ini, yang sebelumnya dilakukan oleh elektronika, sekarang ini dilaksanakan oleh penguat optik. Alat ini akhirnya memberi kita rugi daya yang tidak terlalu berpengaruh lagi pada data di ujung komunikasi. Rugi daya ini terjadi saat cahaya diubah menjadi sinyal elektronik.

Dewasa ini 95% cahaya tersisa setelah dirambatkan menempuh jarak 1 km penuh, sebuah angka yang melebihi ambisi Kao yang hanya menargetkan 1% cahaya tersisa setelah merambat sejauh 1 km. Lagi pula, tidak mungkin sekarang hanya ada satu macam serat. Terdapat banyak jenis serat optik. Memilih serat mana yang akan digunakan ditentukan oleh pertimbangan-pertimbangan teknis, kebutuhan komunikasi, dan biaya.

Serat-serat optik tersebut memiliki ukuran, sifat material, dan panjang gelombang cahaya yang bervariasi. Laser semikonduktor dan diode cahaya berukuran butiran pasir telah mengisi jaringan serat optik dengan cahaya yang membawa hampir semua komunikasi telepon dan komunikasi data di seluruh dunia. Cahaya inframerah dengan panjang gelombang 1,55 mikrometer, sekarang ini digunakan pada semua komunikasi jarak jauh dengan rugi daya terendah.

Kemampuan jaringan kabel optik masih terus berkembang dengan kelajuan yang luar biasa, mentransfer hingga ribuan gigabit per sekon bukan lagi angan-angan kosong. Perkembangan teknologi sedang bergerak ke arah kebutuhan komunikasi yang lebih interaktif, dimana kabel serat optik telah didesain agar dapat mencapai semua cara untuk masuk ke rumah-rumah setiap orang. Teknologi tersebut telah tersedia. Apa yang kita lakukan dengan teknologi tersebut merupakan pertanyaan yang sama sekali berbeda.

Mata Elektronik

Kadang-kadang sebuah penemuan nampak tidak terduga-duga sama sekali. Sensor gambar, CCD, atau Charge Coupled Device, adalah contoh dari jenis penemuan itu. Tanpa CCD, perkembangan kamera digital barangkali akan berjalan sangat lambat. Tanpa CCD kita tidak mungkin dapat melihat gambar yang menakjubkan ruang angkasa yang dicuplik oleh teleskop ruang angkasa Hubble, atau gambar gurun merah planet tetangga kita, Mars.

Semua fungsi ini bukanlah fungsi yang diimpikan oleh penemu CCD tersebut, Williard Boyle dan George Smith, ketika mereka memulainya. Suatu hari di bulan September tahun 1969, mereka membuat sketsa diagram dasar sebuah sensor gambar di atas sebuah papan tulis di kantor Boyle. Pada waktu itu mereka sama sekali tidak memiliki bayangan akan fotografi dalam pikiran mereka. Tujuan mereka dengan CCD itu adalah untuk menciptakan sebuah memori elektronik yang lebih baik. Tapi kenyataannya, sekarang CCD bahkan telah dilupakan sebagai sebuah memori elektronik. CCD malah menjadi bagian yang tidak dapat dipisahkan dengan teknologi gambar modern. CCD merupakan salah satu cerita sukses era elektronik yang kita alami.

Gambar menjadi digital

Ads by Google
Seperti halnya alat-alat lain dalam industri elektronika, sensor gambar digital, CCD, dibuat dari silikon. Dengan ukuran sebesar prangko, pelat silikon ini menampung jutaan fotosel yang peka terhadap cahaya. Teknik pencitraan pada CCD memanfaatkan efek fotolistrik yang pertama kali diteorikan oleh Albert Einstein, dan mengantarkannya meraih hadiah Nobel Fisika Tahun 1921. Efek fotolistrik ini terjadi saat cahaya menumbuk pelat silikon dan mementalkan elektron dari tempatnya dalam fotosel. Elektron yang terlepas ini akan terkumpul dalam sel dan menjadi sumur kecil bagi mereka. Semakin besar jumlah cahaya, semakin banyak jumlah elektron yang mengisi sumur-sumur kecil tersebut.

Ketika tegangan diberikan kepada CCD, kandungan dari sumur-sumur itu dapat dibaca; baris per baris, elektron per larik diletakkan ke atas semacam ban berjalan (conveyor belt) seperti pada gambar berikut.


Misalkan, sebuah larik 10 x 10 titik gambar. Larik ini akan diubah menjadi rantai yang terdiri atas 100 titik. Dengan cara ini, CCD mengubah gambar gambar optik menjadi sinyal listrik yang secara berurutan diterjemahkan ke dalam kode-kode digital satu dan nol. Masing-masing sel kemudian dapat buat ulang menjadi sebuah titik gambar, yang disebut piksel. Ketika lebar sebuah CCD, yang dinyatakan dalam piksel, dikalikan dengan tingginya, maka akan diperoleh kapasitas sensor tersebut. Jadi sebuah CCD dengan ukuran 1280 x 1024 piksel menghasilkan sebuah kapasitas sebesar 1,3 megapiksel (1,3 juta piksel).

CCD akan menghasilkan sebuah gambar dalam bentuk hitam dan putih, sehingga berbagai filter harus digunakan agar dapat diperoleh gambar yang berwarna. Satu jenis filter yang mengandung satu warna dasar merah, hijau, atau biru, ditempatkan di atas tiap-tiap sel sensor gambar tersebut. Mengikuti sensitivitas mata manusia, jumlah piksel hijau yang diperlukan dua kali lebih banyak dibandingkan piksel biru dan piksel merah. Untuk dapat menghasilkan gambar yang lebih akurat, kita perlu menggunakan lebih banyak filter.

Kamera Fotografi untuk Siapa Saja

Keuntungan sensor cahaya elektronik dengan cepat menjadi kenyataan. Pada tahun 1970, hanya setahun setelah ditemukan, Smith dan Boyle dapat mendemonstrasikan kerja CCD pada kamera video mereka untuk pertama kalinya. Pada tahun 1972, perusahaan Amerika, Fairchild membuat sensor gambar pertama berukuran 100 x 100 piksel, yang diproduksi beberapa tahun kemudian. Pada tahun 1975, Boyle dan Smith membuat sendiri sebuah kamera video digital dengan resolusi yang cukup tinggi untuk menangani pemancaran siaran televisi.

Tidak sampai tahun 1981, kamera pertama yang dibuat dengan menggunakan CCD telah dijual di pasaran. Terlepas dari ukurannya yang besar dan karakteristiknya yang masih primitif, jika dibandingkan dengan kamera sekarang ini, kamera ini telah memelopori digitalisasi komersial dalam bidang fotografi. Lima tahun kemudian, pada tahun 1986, sensor gambar 1,4 megapiksel (1,4 juta piksel) tiba, dan selanjutnya di tahun 1995, kamera fotografi yang sepenuhnya digital muncul pertama kali di dunia ini. Perusahaan pembuat kamera di seluruh dunia dengan cepat menerima jenis kamera ini, dan sejak itu pasar telah dibanjiri oleh kamera dengan ukuran yang semakin kecil dan semakin murah.

Dengan kamera yang dilengkapi sensor gambar sebagai pengganti film, sebuah era dalam sejarah fotografi telah berakhir. Era ini bermula di tahun 1839 ketika Louis Daguerre menyajikan hasil temuannya tentang film fotografi di depan khalayak French Academie des Sciences.

Ketika sensor gambar ini memenuhi fotografi sehari-hari kita, kamera digital telah menjadi sukses secara komersial. Belakangan, CCD menghadapi tantangan dari teknologi lainnya, CMOS, atau Complementary Metal Oxide Semiconductor, sebuah teknologi yang ditemukan pada waktu yang hampir bersamaan dengan CCD. Kedua teknologi ini menggunakan efek fotolistrik. Perbedaannya adalah pada cara pembacaan elektron yang terkumpul. Jika elektron-elektron yang terkumpul dalam sebuah deretan CCD harus berbaris dalam bentuk garis untuk dapat dibaca, maka untuk CMOS kandungan elektron tiap-tiap fotosel dibaca di tempat.

CMOS mengonsumsi energi yang lebih rendah sehingga baterai lebih awet, dan semakin lama teknologi ini juga semakin murah. Namun demikian, kita juga harus memperhitungkan tingkat noise yang tinggi dan kerugian kualitas gambar pada CMOS ini. Konsekuensinya, CMOS tidak terlalu sensitif untuk banyak aplikasi tingkat lanjut. CMOS saat ini sering digunakan pada fotografi ponsel sehari-hari, serta untuk jenis fotografi lainnya. walaupun demikian, kedua teknologi ini, secara konstan terus menerus dikembangkan dan pada banyak penerapan keduanya dapat saling dipertukarkan.

Sekitar tujuh tahunan yang lampau, CCD menembus limit 100 megapiksel, dan meskipun kualitas gambar sebenarnya tidak hanya ditentukan oleh jumlah piksel, capaian ini kelihatannya telah membawa fotografi digital selangkah lebih maju ke depan. Beberapa kalangan memprediksikan bahwa masa depan akan menjadi miliki CMOS menggantikan CCD. Yang lainnya, masih meyakini bahwa kedua teknologi ini akan terus saling melengkapi satu sama lain pada masa mendatang.

Pada awalnya, tidak seorang pun yang memprediksi bahwa CCD akan menjadi benda yang sangat dibutuhkan dalam astronomi. Namun demikian, ucapan terima kasih lebih tepat diberikan kepada teknologi digital. Karena dengan teknologi inilah kamera sudut lebar pada teleskop ruang angkasa Hubble dapat mengirimkan gambar-gambar yang sangat menakjubkan kembali ke bumi. Sensor kamera pada teleskop Hubble tersebut awalnya hanya terdiri atas 0,64 megapiksel. Namun demikian, ketika ada empat sensor yang dihubungkan satu sama lain, akhirnya diperoleh total 2,56 megapiksel. Jumlah ini merupakan jumlah yang besar pada tahun 1980-an ketika teleskop ruang angkasa tersebut sedang didesain. Dewasa ini satelit Keppler telah dilengkapi dengan sebuah mosaik sensor 95 megapiksel, dan harapannya adalah satelit ini dapat menemukan planet-planet yang menyerupai bumi di sekitar bintang lain selain matahari.

Beberapa waktu kemudian, astronom menyadari manfaat sensor gambar digital CCD. Sensor ini dapat mencakup keseluruhan spektrum cahaya, dari sinar-X sampai sinar inframerah. Sensor ini ribuan kali lebih peka dibandingkan dengan film fotografi. Dari 100 partikel cahaya yang tiba pada sensor tersebut, sebuah CCD dapat menangkap 90 di antaranya, sementara untuk pelat fotografi atau mata manusia, hanya dapat menangkap satu di antaranya. Dalam seberapa sekon, cahaya yang berasal dari benda-benda yang jauh dikumpulkan –sebuah proses yang sebelum-sebelumnya membutuhkan waktu berjam-jam. Efek ini juga berhubungan langsung dengan intensitas cahaya –semakin besar jumlah cahaya, semakin banyak jumlah elektron.

Pada tahun 1974, sensor gambar pertama telah digunakan untuk mengambil fotografi bulan. Ini merupakan gambar astronomis pertama yang pernah dikutip dengan menggunakan kamera. Dengan kecepatan kilat, astronom mengadopsi teknologi baru ini, pada tahun 1979 sebuah kamera digital dengan resolusi 320 x 512 piksel dipasangkan pada teleskop Kitt Peak di Arizona, Amerika Serikat.

Hari ini, baik yang berkaitan dengan fotografi, video atau televisi, sensor gambar digital biasanya terlibat dalam proses-proses tersebut. Sensor ini sangat bermanfaat untuk tujuan pengawasan baik di bumi maupun ruang angkasa. Bahkan teknologi CCD digunakan pada beberapa peralatan medis, misalnya menggambarkan bagian dalam tubuh manusia, baik untuk keperluan diagnostik maupun untuk kepentingan operasi bedah. Sensor cahaya digital telah menjadi sebuah peralatan yang sangat luas penerapannya dalam sains baik di bagian dasar lautan sampai pada ruang angkasa. Alat ini dapat mengungkap dengan cara terperinci benda-benda yang letaknya sangat jauh dan ukurannya sangat kecil. Dengan cara ini, terobosan teknologi dan sains saling berkaitan.

Maka wajarlah penghargaan Nobel Fisika Tahun 2009 ini dianugerahkan kepada Charles Kao yang telah berkontribusi besar menginisiasi pengembangan teknologi serat optik, dan kepada Willard Sterling Boyle dan George Elwood Smith atas penemuan mereka tentang CCD, sang mata elektronik.






0 komentar :

Posting Komentar