Bidang Biofotonik ini termasuk yang sedang banyak diminati dewasa ini. Ini disebabkan karena pertumbuhan yang pesat dari penggunaan devais optik pada bidag biomedis, mulai dari diagnosis terapi, sampai dengan penyembuhan suatu penyakit.
Pengertian
Mungkin masih banyak yang belum tau apa itu biofotonik. Biofotonik (bisa juga disebut biomedical optik atau biomedical fotonik) didefinisikan sebagai teknologi dan metode yang menggunakan cahaya (mulai dari UV-cahaya tampak-Near Infra Red) untuk keperluan medis, seperti :
1. Pengembangan tentang pemahaman dasar dari biologi (mulai dari sebuah gen sampai pada level jaringan tubuh)
2. Pengembangan teknologi deteksi dan penyembuhan berbagai penyakit manusia (mulai dari jerawat sampai kanker).
Konsep Dasar
Sebenarnya prinsip dasar dari biofotonik tidak terlalu sulit. Prinsip dasarnya seperti terlihat pada Gambar-1.
Gambar-1. Prinsip dasar biofotonik
Dari Gambar-1, terlihat bahwa prinsip dasar dari Biofotik adalah bagaimana menganalisa hasil yang didapat pada interpreter/display dengan yang diemisikan oleh sumber cahaya. Kita tahu bahwa cahaya yang dilewatkan melalui molukul mungkin ada yang terserap (absorb), terpantul (reflected), dan diteruskan (transmitted). Sehingga sinar yang diterima kemungkinan besar berbeda dengan yang dipancarkan.
Beberapa poin penting
Yang perlu diperhatikan untuk pengaplikasian biofotonik yaitu,
o Thermal effect
o Mechanical effect
o Photoablative effect
o Photo dynamic effect.
Sehingga, dalam memilih cahaya yang cocok untuk biofotonik harus diteliti lebih dahulu agar tidak menimbulkan efek negatif. Biasanya cahaya yang digunakan berada pada daerah UV (Ultra Violet), cahaya tampak, dan NIR (Near Infra Red).
Aplikasi Biofotonik
Berbagai aplikasi telah digunakan untuk kebutuhan medis kita, seperti contoh berikut,
1. Untuk mendiagnosa
o Photophysical imaging (OCT-Optical Coherence Tomography, Microscopy)
o Flourescence imaging
o Bio Sensor
2. Untuk terapi/penyembuhan
o Photodynamic Therapy (PDT)
o Laser-laser tissue welding
o Laser and Nano surgeries
Semoga bermanfaat
Kuliah Prinsip Dasar Biofotonik oleh Prof. Gerd Keiser, 15 Sept 2010.
Para peneliti pada Universitas California, Berkeley, telah memperoleh suatu tonggak sejarah dalam fisika laser dengan menciptakan laser semikonduktor terkecil di dunia dan sanggup menghasilkan cahaya yang dapat terlihat di ruang angkasa dari pada suatu molekul protein tunggal.
Terobosan ini, yang dijelaskan lebih lanjut pada publikasi online jurnal Nature pada tanggal 30 Agustus, membuat dasar baru dalam bidang optik. Tim UC Berkeley tidak hanya saja berhasil menekan cahaya pada suatu rung yang sempit, tetapi juga menemukan cara baru menjaga energi cahaya tersebut dari menghamburnya saat bergerak, dengan demikian memperoleh aksi laser tersebut.
“Pekerjaan ini memecahkan dugaan tradisional tentang batasan laser, dan membuat keuntungan besar terhadap aplikasi dalam biomedikal, bidang komunikasi dan komputer,” kata Xiang Zhang, profesor teknik mesin dan direktur Nanoscale Science and Engineering Center di UC Berkeley, yang didanai oleh National Science Foundation (NSF), dan kepala tim penelitian dibalik pekerjaan ini.
Pencapaian ini mampu membantu mengembangkan suatu inovasi seperti nanolaser yang dapat menyelidiki, memanupulasi dan mengkarateristikkan molekul – molekul DNA; komunikasi berbasis optik beberapa kali lebih cepat dari pada teknologi sekarang ini; dan komputer optikal dimana cahaya menggantikan rangkaian elektronik menyesuaikan dengan kecepatan lompatan dan tenaga pemrosesan.
Sementara hal ini secara tradisional dapat diterima bahwasannya suatu gelombang elektromagnetis – meliputi sinar laser – tidak dapat terfokus melampaui ukuran dari setengahnya panjang gelombang ini, tim peneliti di seluruh dunia telah menemukan suatu cara untuk mengkompres cahaya dibawah lusinan nanometer dengan menyatukannya pada elektron – elektron yang mana secara kolektif bergerak kesana kemari pada permukaan metal. Interaksi antara cahay dan electron – electron yang bergerak dikenal dengan surface plasmons.
Para ilmuwan telah berlomba – lomba untuk membangun laser surface plasmon yang dapat bertahan dan menggunakan eksitasi optikal yang teramat kecil tersebut. Bagaimanapun, sifat resistansi However, pada metal menyebabkan surface plasmons tersebut berhamburan hampir sesegera mungkin setelah dihasilkan dan memiliki suatu tantangan kritis dalam memperoleh penambah dari medan elektromagnetis yang diperlukan untuk melaserkannya.
Zhang dan tim penelitinya mengambil pendekatan baru untuk membendung hilangnya energyi cahaya dengan memasangkan cadmium sulfide nanowire – 1.000 kali lebih kecil dari pada rambut manusia – dengan suatu permukaan perak yang dipisahkan oleh gap pembatas yang hanya 5 nanometer, ukuran dari suatu molekul protein tunggal. Pada struktur ini, daerah gap tersebut menyimpan cahaya didalam suatu area yang 20 kali lebih kecil dari pada panjang gelombangnya. Karena energi cahaya sebagian besar disimpan pada gap non-metalik yang kecil maka kehilangannya dapat secara signifikan dapat ditekan.
Dengan akhir kehilangan dibawah pengawasan hingga keunikannya ini, desain “hybrid”, para peneliti kemudian dapat bekerja pada pengampifikasian cahaya.
“Saat anda bekerja pada suatu skala yang kecil, anda tidak memiliki banyak ruang untuk bermain – main,” kata Rupert Oulton, rekanan peneliti di laboratorium Zhang yang pertama kali menteorikan pendekatan ini tahun lalu dan pemimpin penulis studi ini. “Dalam desain kami, nanowire berperan sebagai kedua mekanisme pembatasan dan suatu amplifier. Ini membutuhkan kerja ganda.”
Menjebak dan mendukung cahaya dalam ruang yang sempit menciptakan suatu keadaan ekstrem yang mana interaksi cahaya dan bahannya sangatlah kuat diubah, penjelasan penulis studi ini. Suatu kenaikkan dalam tingkat emisi cahaya yang spontan merupakan tanda penunjuk dari interaksi berubah ini; dalam studi ini, para peniliti memperkirakan kenaikan enam kali lipat pada tingkat emisi cahaya yang spontan pada ukuran gap 5 nanometer.
Baru – baru ini, para peneliti dari Universitas Norfolk State melaporkan bahwa aksi pelaseran bidang emas pada suatu celupan yang terisi, semacam kerangka kaca yang terbenam pada suatu larutan. Celupan ganda pada bidang emas dapat menghasilkan surface plasmons saat terekspos cahaya.
Para peneliti UC Berkeley menggunakan bahan semikonduktor dan teknologi fabrikasi yang umumnya dipergunakan pada pabrikan elektronik modern. Dengan rekayasa hybrid surface plasmons dalam gap tersebut antara semikonduktor dan metal, mereka mampu untuk menahan cukup lama kuatnya cahaya yang terbatas dimana osilasinya distabilkan kedalam keadaan koheren yang merupakan kunci penting dari karakteristik suatu laser.
“Apa yang menggembirakan khususnya tentang laser plasmonic yang kita demonstrasikan disini adalah bahwa mereka solid dan sangat kompatibel dengan pabrikasi semikonduktor, sehinggan mereka mampu dipompa secara elektrik dan secara penuh terintegrasi pada skala chip,” kata Volker Sorger, seorang mahasiswa Ph.D. student dilaboratorium Zhang pimpinan penulis studi ini.
“Laser plasmon mewakili golongan penggiat dari sumber – sumber cahaya koheren yang mampu pada pembatasan sangat kecil secara ekstrim,” kata Zhang. “Pekerjaan ini dapat menjembatani dunia elektronik dan optic pada panjang skala molekuar sesungguhnya
Para ilmuwan pada akhirnya berharap menyusutkan cahaya pada ukuran panjang gelombang electron, yang mana sekitar nanometer, atau sepermilyar meter, sehingga keduanya dapat bekerja bersama – sama pada kedudukan sejajar.
“Keuntungan optic – optic pada bidang elektronik sangatlah banyak,” tambah Thomas Zentgraf, seorang mahasiswa post-doctoral di laboratorium Zhang dan pimpinan penulis lain dari makalah Nature. “Suatu contoh, peralatan akan lebih bertenaga dan efisien pada waktu bersamaan mereka memberikan kenaikan kecepatan atau bandwidth.”
Sumber :
* http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/kimia_fisika/laser-semikonduktor-terkecil-di-dunia/
Aktif modelocking merupakan sebuah metode untuk membangkitkan laser pulsa dengan ultrashort pulsa. Aktif modelocking didapatkan dengan menggunakan modulator. Skema dari metode aktif modelocking dapat ditunjukkan oleh Gambar-1 berikut.
Gambar-1. Skema Aktif Modelocking Dengan Modulator
Pada aktif modelocking, pembangkitkan pulsa ultrashort memerlukan modulator yang memiliki kecepatan yang tinggi. Baru-baru ini, terdapat beberapa penelitian yang telah mengembangkan aktif atau pasif Multi Quantum Well (MQW) device untuk membuat modulasi yang memiliki kecepatan tinggi [1].
Secara umum, terdapat empat jenis modulator. Modulator tersebut yaitu : (1) electro-optics, (2) acousto-optics, (3) magneto-optics, dan (4) electro-absorption [2]. Electro-Absorption Modulator (EAM) merupakan modulator yang memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan modulator lainnya. EAM memiliki keunggulan yaitu : modulasi berkecepatan tinggi, pengaturan dengan tegangan rendah, extinction ratio yang tinggi, dan mudah diintegrasikan dengan device lainnya.
Electro-Absorption Modulator (EAM) bekerja menggunakan prinsip dasar efek electroabsorption yaitu perubahan koefisien absorbsi berdasarkan pada perubahan medan listrik. Pada EAM bulk semikonduktor, absorbsi disebabkan oleh bergeraknya elektron ke energi yang lebih rendah seiring dengan bertambahnya medan listrik yang disebabkan oleh kombinasi dari absorbsi band-to-band dan proses tunneling (Franz-Keldysh effect) [3]. Sedangkan pada EAM Quantum Well (QW), transisi energi antara elektron dan hole yang terperangkap (confined) pada energi level berkurang ketika terdapat medan listrik yang diberikan pada growth direction (Quantum Confined Stark Effect, QCSE) [3].
Referensi
[1] A. Mark Fox, David A. B. Miller.: ‘Quantum Well Carrier Sweep Out: Relation to Electroabsorption and Exciton Saturation’, IEEE Journal Of Quantum Electronics, vol. 27, No.10, October 1991, pp. 2281-2295.
[2] B.E.A. Saleh and M.C. Teich, “Fundamentals of photonics,” John Wiley & Sons,Inc., ISBN 0-471-83965-5, 1991.
[3] J. Piprek, Y.-J. Chiu, S.-Z. Zhang, J. E. Bowers, C. Prott, and H. Hillmer, “High-Efficiency MQW Electroabsorption Modulators,” Electrochemical society proceedings, vol. 2002-4, pp.141-149.
Sebelum mengetahui tentang photon detector, lebih baik baca artikel berikut ini. Photon detector sebenarnya merupakan bagian dari photodetektor yang telah dikenal selama ini. Gambar photon detectornya dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Photon Detector
Berdasarkan tipenya, photodetektor dapat dibagi menjadi 2(dua): (1) Thermal detector ;(2) Photon detector. Thermal detector mendeteksi cahaya dengan memanfaatkan kenaikan suhu ketika energi cahaya diserap oleh permukaannya. Dengan prinsip kerja tersebut, divais ini biasanya digunakan untuk detector cahaya dengan panjang gelombang far-infrared.
Sedangkan photon detector mendeteksi cahaya berdasarkan pada prinsip quantum photoelectric effect. Prinsip quantum photoelectric effect yaitu photon meng-eksitasi carrier sehingga menghasilkan photocurrent. Photoelectric effect didasarkan pada energi photon hv, dengan mengacu pada panjang gelombang λ yang berkaitan dengan energi transisi ∆E.
Untuk membuat photon dapat meng-eksitasi carrier, energi photon harus lebih besar dari energi transisi (hv > ∆E).
Pada divais semikonduktor, energi transisi ∆E merupakan gap energi dari semikonduktor. Sehingga untuk memanipulasi photodetektor tersebut dapat dilakukan dengan memanipulasi energi gap dari semikonduktor: dengan memilih material semikonduktor dengan energi gap tertentu.
Sebenarnya telah banyak divais di dunia ini yang memanfaatkan prinsip heterostructure untuk membuat berbagai macam alat elektronik, mulai dari transistor sampai dengan solar cell. Kemudian timbul pertanyaan, apasih sebenarnya heterostructure itu. Heterostructure merupakan gabungan dari 2 atau lebih bahan semikonduktor yang berbeda. Penggunaan bahan yang berbeda ini, ada kaitannya dengan perbedaan Energi Band Gap dari masing-masing bahan. Perbedaan inilah yang nantinya bisa digunakan untuk merekayasa suatu divais.
Sebagai contoh dari heterostructure yaitu aplikasi optoelektronik. Sebuah material semikonduktor berbahan AlGaAs digunakan sebagai cladding (layer terluar) dan bahan semikonduktor yang lain berbahan GaAs digunakan sebagai layer dalam. Biasanya layer bagian dalam (bahan GaAs) memiliki energy band gap yang lebih kecil. Dengan energy band gap yang kecil, electron akan mudah terperangkap ditengah, kemudian kejadian ini dimanfaatkan untuk membuat electron berekombinasi dan terciptalah photon. Contoh diatas merupakan contoh dari simple heterojuntion.
Gambar 1. Energy Band Heterostructure
Untuk postingan kali ini, mungkin hanya penjelasannya saja. InsyaAllah, untuk postingan selanjutnya yang berkaitan dengan heterojunction terutama tentang bagaimana cara menggambar energy band diagram dari heterostructure baik itu abrupt heterostructure atau graded heterostructure seperti terlihat pada Gambar 1. Tunggu tanggal mainnya..
Dalam mempelajari waveguide optik, kita harus mengetahui beberapa persamaan penting yang biasa digunakan pada perancangan waveguide optik seperti, persamaan Maxwell, persamaan gelombang vektorial, dan juga persamaan Boundary Condition untuk elektromagnetik. Dalam posting kali ini akan dijelaskan tentang persamaan Maxwellnya dulu, untuk persamaan lainnya akan dijelaskan lain waktu.
Persamaan Maxwell
Medan listrik E (dalam volt per meter), medan magnet H (amper per meter), kerapatan medan listrik D (coloumb per meter), dan kerapatan medan magnet B (amper per meter persegi) yang memiliki hubungan satu dengan lainnya melalui persamaan berikut ini :
Dimana permitifitas 
Rapat arus J (dalam amper per meter persegi) pada sebuah material konduktif diberikan dengan persamaan
Dari persamaan-persamaan tersebut didapatkan persamaan Maxwell untuk medan elektromagnetik [1] :
Referensi
(1) Kawano, Kenji and Kitoh, Tsutomu. Introduction to Optical Waveguide Analysis. John Wiley, New York. 2001.
Ketertarikan terhadap modulator optik yang memiliki performa yang tinggi telah dimulai sejak 1990. Ketertarikan ini dikarenakan kebutuhan yang besar terhadap modulator ini untuk sistem komunikasi. Sebagai contoh yaitu dalam merancang sistem telekomunikasi yang murah di dalam ruangan (indoor), maka dibutuhkan sebuah instalasi Multi Mode Fiber (MMF). Sistem MMF ini membutuhkan sebuah modulator optik dengan panjang gelombang 850 nm untuk indoor gigabit ethernet sistem [1].
Secara umum, terdapat empat jenis modulator optik. Modulator tersebut yaitu : (1) electro-optics, (2) acousto-optics, (3) magneto-optics, dan (4) electro-absorption [2]. Electro-Absorption Modulator (EAM) merupakan modulator yang memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan modulator lainnya. EAM memiliki keunggulan yaitu : modulasi berkecepatan tinggi, pengaturan dengan tegangan rendah, extinction ratio yang tinggi, dan mudah diintegrasikan dengan device lainnya.
Electro-Absorption Modulator (EAM) bekerja menggunakan prinsip dasar efek electroabsorption yaitu perubahan koefisien absorpsi berdasarkan pada perubahan medan listrik. Pada bulk semiknduktor, absorpsi disebabkan oleh bergeraknya elektron ke energi yang lebih rendah seiring dengan bertambahnya medan listrik yang disebabkan oleh kombinasi dari absorpsi band-to-band dan proses tunneling (Franz-Keldysh effect) [3].
Sedangkan pada quantum well (QW), transisi energi antara elektron dan hole yang terperangkap (confined) pada energi level berkurang ketika terdapat medan listrik yang diberikan pada growth direction (Quantum Confined Stark Effect, QCSE) [3]. Efek ini diilustrasikan pada Gambar-1.
Gambar-1. Quantum well band edges, quantum levels, dan elektron dengan fungsi gelombang (kanan) dan tanpa fungsi gelombang (kiri) yang diberikan medan listrik F (E g-bulk band gap, E ph-transition energy) [3].
Pada stark effect, ketika medan listrik bertambah, overlap dari fungsi gelombang (wavefunction) elektron dan hole berkurang seiring dengan berkurngnya kekuatan absorpsi pada energi transisi. Ketebalan dari quantum well memberikan keuntungan tersendiri untuk sensitifitas medan yang tinggi (efisiensi modulasi yang tinggi) dimana semakin tipis quantum wellnya akan memberikan absropsi yang lebih besar.
Penguatan absorbsi pada quantum well tersebut dikarenakan formasi dari pasangan elektron-hole (excitons) pada quantum well. Dibandingkan dengan bulk material, modulator tipe quantum well QCSE memiliki effisiensi modulasi yang tinggi (drive voltage yang rendah), namun, modulator ini memiliki optikal bandwidth yang tidak terlalu lebar.
Untuk penjelasan lebih lanjut, tunggu postingan selanjutnya ya.. Oia, kalau ada yang mau komentar untuk postingan ini agar lebih bagus bisa ditulis dibawah.
DAFTAR REFERENSI
[1] C. Lethien, J-P. Vilcot, D. Decoster, ”850 nm Transmission Type ElectroAbsorption Modulator on SiO2 subtrate,” Abs. 227, 205th Meeting, © 2004 The Electrochemical Society, Inc.
[2] B.E.A. Saleh and M.C. Teich, “Fundamentals of photonics,” John Wiley & Sons,Inc., ISBN 0-471-83965-5, 1991.
[3] J. Piprek, Y.-J. Chiu, S.-Z. Zhang, J. E. Bowers, C. Prott, and H. Hillmer, “High-Efficiency MQW Electroabsorption Modulators,” Electrochemical society proceedings, vol. 2002-4, pp.141-149.
Mungkin masih banyak yang belum mengetahui tentang Waveguide Optic. Padahal sudah cukup banyak aplikasi yang memanfaatkan struktur Waveguide Optic, seperti kabel serat optik, Electroabsorbtion Modulation (EAM), dll.
Secara harfiah, makna dari Waveguide Optic (Pandu Gelombang Optik) adalah struktur fisik yang memandu gelombang elektromagnetik dalam spektrum optik. Berikut Gambar contoh Waveguide Optic yang berupa Electroabsorbtion Modulation (EAM).
Gambar-1. Contoh Waveguide Optic
Waveguides optic dapat diklasifikasikan menurut geometri (planar, strip, atau fiber waveguides), mode struktur (single-mode, multi-mode), distribusi indeks bias (step-indeks atau gradien indeks) dan material (kaca, polimer, semikonduktor).
Untuk penjelasan lebih lanjut, tunggu postingan selanjutnya ya.. Oia, kalau ada yang mau komentar (baca : komentarnya yang membangun ya..) untuk postingan-postingan saya, silahkan tulis dibawah.
.JPG)
