Perkembangan teknologi sensor suhu serta keterbatasan sensor berbasis listrik yang selama ini banyak digunakan, seperti termistor dan termokopel. Meskipun memiliki ukuran kecil, biaya rendah, dan akurasi yang cukup baik, sensor elektrik rentan terhadap korosi, gangguan elektromagnetik, serta mengalami penurunan akurasi seiring waktu. Kelemahan tersebut menjadi kendala besar terutama pada industri yang beroperasi di lingkungan ekstrem, seperti otomotif, manufaktur, minyak dan gas, serta pertahanan, yang membutuhkan sensor tahan kondisi keras, tidak menimbulkan percikan, dan mampu memberikan pembacaan suhu yang sangat presisi.

Sebagai alternatif, sensor suhu berbasis optik mulai banyak dikembangkan karena menawarkan keunggulan berupa ketahanan terhadap interferensi elektromagnetik, akurasi tinggi, biaya fabrikasi rendah, serta kemampuan bekerja pada kondisi berisiko. Namun, beberapa metode optik yang ada—misalnya fiber Bragg grating, interferometer, atau optical blackbody—masih terkendala biaya fabrikasi tinggi atau sensitivitas terhadap getaran.

Whispering Gallery Mode (WGM) berbasis mikrosfer optik kemudian hadir sebagai solusi potensial karena memiliki faktor kualitas (Q-factor) sangat tinggi dan sensitif terhadap perubahan dimensi maupun indeks refraktif akibat perubahan suhu. Pergeseran resonansi yang dihasilkan menjadikan WGM mikrosfer sangat ideal untuk mendeteksi perubahan suhu yang kecil.

Meskipun demikian, teknik fabrikasi mikrosfer berkualitas tinggi umumnya masih kompleks dan mahal, seperti menggunakan laser femtosecond atau pemanasan berbasis hidrogen–oksigen. Oleh karena itu, penelitian ini mengusulkan metode pembuatan mikrosfer WGM menggunakan core-to-core alignment fusion splicer, yang lebih sederhana, murah, dan mudah direproduksi. Pendekatan ini memungkinkan pembentukan mikrosfer yang presisi, berpusat sempurna, serta memiliki efisiensi kopling yang baik untuk diaplikasikan sebagai sensor suhu. Selanjutnya, penelitian juga mengoptimalkan jarak kopling antara mikrosfer dengan serat optik yang ditaper untuk memperoleh performa sensor terbaik.

Metode dan Hasil  

Penelitian ini menggunakan tiga langkah utama dalam proses pembuatan dan pengujian sensor suhu berbasis whispering gallery mode (WGM) mikrosfer. Pertama, mikrosfer optik difabrikasi menggunakan core-to-core alignment fusion splicer (ACUTEQ ATS-A6). Ujung serat optik dilelehkan melalui serangkaian arc discharge, dan gaya tegangan permukaan membentuk struktur mikrosfer yang halus dan terpusat secara otomatis. Variasi jumlah arc discharge digunakan untuk memperoleh diameter mikrosfer yang optimum.

Kedua, serat optik ditaper menggunakan teknik flame brushing, yaitu pemanasan serat dengan nyala oxybutane sambil ditarik dengan kecepatan konstan untuk menghasilkan diameter tapers kecil yang memungkinkan kopling evanescent yang efisien. Struktur taper kemudian dihubungkan ke sumber cahaya broadband dan optical spectrum analyzer (OSA) untuk karakterisasi.

Ketiga, mikrosfer dan serat tapers diatur pada sebuah platform sehingga jarak kopling dapat diatur secara presisi. Dua konfigurasi diuji: jarak kopling 10 µm dan 0 µm (kontak langsung). Sistem kemudian ditempatkan dalam ruang tertutup untuk pengukuran suhu pada rentang 29.8–35 °C, dengan termokopel sebagai sensor pembanding. Perubahan panjang gelombang resonansi diamati melalui OSA untuk menentukan sensitivitas, Q-factor, dan stabilitas sensor.

Hasil fabrikasi menunjukkan bahwa diameter mikrosfer meningkat seiring penambahan jumlah arc discharge, dengan bentuk optimal diperoleh pada sekitar 30 kali arc discharge, menghasilkan mikrosfer berdiameter sekitar 260.9 µm. Serat taper berhasil dibentuk dengan diameter sekitar 1.27 µm, memungkinkan interaksi evanescent yang baik dengan mikrosfer.

Karakterisasi spektrum menunjukkan adanya perbedaan signifikan antara dua jarak kopling. Pada jarak 10 µm, sensor menghasilkan FWHM sebesar 2.340 nm, finesse 1.111, dan Q-factor 659.997. Sementara itu, pada jarak 0 µm (kontak langsung), performa meningkat drastis: FWHM menyempit menjadi 0.096 nm, dengan finesse 42.792 dan Q-factor mencapai 16,069.688. Hal ini menegaskan bahwa kontak langsung memberikan kopling terbaik dan efisiensi resonansi tertinggi.

Pengujian suhu menunjukkan bahwa peningkatan suhu menyebabkan red shift pada panjang gelombang resonansi. Sensor dengan jarak 0 µm memiliki sensitivitas 14.9 pm/°C, nilai yang lebih tinggi dibandingkan beberapa penelitian terdahulu. Selain itu, sensor menunjukkan stabilitas yang sangat baik, dengan hampir tidak ada pergeseran resonansi ketika suhu dijaga konstan selama pengamatan 30–180 menit.

Secara keseluruhan, metode fabrikasi ini menghasilkan sensor suhu optik yang sensitif, stabil, dan berbiaya rendah, serta menunjukkan potensi kuat untuk aplikasi praktis di lingkungan yang membutuhkan pengukuran suhu presisi tinggi.

Penulis : Prof. Dr. Retna Apsari, M.Si

Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:

Nur Aida Syahmina Noorbahrin, Nadrahtul Aqilah Mohd Yahaya, Siti Nurul Fatihah Azahan, Muhammad Kudhori Mohd Yusof, Sabrina Mohd Farid, Siti Nurfatinah Mohd Asseri, Retna Apsari, Mohd Zamani Zulkifli. Fabrication of Whispering Gallery Mode (WGM) microresonator using core-to-core alignment fusion splicer for high sensitive temperature sensor trough optimum coupling gap with high q-factorhttps://doi.org/10.1016/j.rio.2025.100928