Kabel Gentian Optik Sebagai Sensor Teragih Pelbagai Guna

Penulis: Dr. Mohd Saiful Dzulkefly Zan¹ dan Dr. Suhairi Saharudin²

Apabila disebut teknologi internet jalur lebar berkelajuan tinggi, terlintas di minda kita beberapa nama syarikat besar di Malaysia yang menyediakan perkhidmatan telekomunikasi ini. Penyedia perkhidmatan ini, yang juga biasanya dikenali sebagai “internet service provider – ISP” menyediakan perkhidmatan internet berkelajuan tinggi dengan mengaplikasikan teknologi sistem komunikasi optik dan menggunakan  kabel gentian optik sebagai perantara atau pun medium untuk menghantar isyarat cahaya. Saiz kabel gentian optik adalah amat kecil dengan diameter lebih kurang 120 mikrometer, malah lebih kecil daripada saiz rambut manusia. Namun ia berupaya menghantar isyarat cahaya pada kelajuan dan kapasiti data yang amat tinggi sehingga beberapa ratus Gbps (gigabit per saat). Ini membuatkan kabel gentian optik menjadi pilihan utama sebagai medium penghantar di dalam sistem telekomunikasi berbanding dengan kabel logam kuprum yang bersaiz lebih besar, berat dan tidak mampu menampung penghantaran data pada kapasiti yang tinggi.

Teknologi telekomunikasi berasaskan gentian optik menggunakan prinsip asas fizik berkaitan perambatan cahaya di dalam gentian optik yang dikenali sebagai ‘pantulan dalam penuh’. Dalam prinsip ini, cahaya yang merambat di dalam medium seperti air, plastik, gentian optik dan lain-lain pada satu sudut perambatan yang optimum akan sentiasa terpantul dan merambat di sepanjang medium tersebut. Ini adalah prinsip asas yang membolehkan maklumat dihantar menggunakan cahaya melalui gentian optik dengan kapasiti maklumat yang amat tinggi. Teknologi telekomunikasi berasaskan kabel gentian optik menjadi asas yang paling penting dalam pelbagai kemajuan teknologi seperti komunikasi 5G dan 6G, radar, komunikasi satelit dan banyak lagi. Maka, adalah tidak keterlaluan jika dikatakan bahawa teknologi gentian optik menjadi elemen terpenting di dalam evolusi dan perkembangan pelbagai teknologi terkini.

Walau bagaimana pun, ramai yang tidak mengetahui bahawa kabel gentian optik atau “fiber optic cable” bukan sekadar digunakan di dalam teknologi telekomunikasi sahaja, malah ia juga berpotensi untuk digunakan sebagai sensor atau penderia untuk mengukur pelbagai perubahan fizikal seperti terikan, suhu, kelembapan, tekanan dan juga pengesan bahan kimia berbahaya. Pelbagai aplikasi dapat dimanfaatkan daripada sensor gentian optik, terutamanya di dalam sektor industri berat. Sebagai contoh, sensor ini boleh digunakan sebagai pengesan kebocoran paip minyak dan gas, pengawasan kesihatan struktur konkrit pada bangunan, pemantau struktur landasan keretapi dan juga pengesan pencerobohan. Selain itu, sensor berasaskan kabel gentian optik ini juga telah mula digunakan sebagai pengesan bencana alam seperti pengesan gempa bumi dan pemantau pergerakan tanah bagi mengesan lebih awal potensi untuk berlakunya  bencana alam seperti tanah runtuh.

Sebenarnya, terdapat pelbagai jenis sensor selain daripada sensor gentian optik yang boleh digunakan untuk aplikasi yang dinyatakan sebelum ini. Namun, apakah yang menyebabkan sensor gentian optik lebih mendapat perhatian berbanding sensor yang lain? Satu kelebihan unik yang hanya dapat diperhatikan di dalam teknologi sensor gentian optik adalah ia mampu mengesan sebarang perubahan di sepanjang kabel gentian secara teragih, atau di dalam Bahasa Inggeris disebut sebagai distributed sensing. Dalam erti kata lain, sensor gentian optik mampu mengesan perubahan fizikal secara serentak pada mana mana lokasi di sepanjang gentian optik tersebut berbanding sensor konvensional yang hanya mampu mengukur pada lokasi tertentu sahaja. Oleh itu, sensor gentian optik amat berguna untuk memantau kawasan yang luas, di mana kabel gentian optik ditanam di sepanjang lokasi yang memerlukan pengawasan. Selain itu, sensor gentian optik bersifat pasif, di mana ia tidak memerlukan kuasa elektrik untuk berfungsi. Ini berbeza dengan sensor elektrik konvensional yang memerlukan bekalan kuasa elektrik untuk membolehkan ia berfungsi. Ini menyebabkan penempatan sensor konventional hanya terhad di lokasi (jarak antara sensor dengan sumber kuasa elektrik) yang bersesuaian dengan had panjang wayar elektrik dalam mengalirkan arus. Sebaliknya, penggunaan teknologi cahaya dalam gentian optik membolehkan jarak pengesanan tersebut dilakukan pada tahap puluhan kilometer dan tidak terhad pada lokasi tertentu sahaja. Selain daripada itu, sensor gentian optik teragih ini juga mampu mengenalpasti secara tepat lokasi perubahan fizikal di sepanjang kabel tersebut dengan mengetahui halaju cahaya di dalam medium dan juga masa yang diperlukan oleh cahaya untuk bergerak di dalam kabel optik.

Sensor gentian optik teragih menggunapakai fenomena serakan balik optik yang berlaku di dalam gentian optik untuk berfungsi sebagai sensor. Secara umumnya, apabila sumber cahaya dirambatkan ke dalam gentian optik, ia akan berinteraksi dengan partikel di dalam gentian yang menyebabkan sebahagian tenaga cahaya terserak balik ke arah berlawanan dengan arah sumber cahaya. Cahaya yang terserak ini amat sensitif dengan perubahan fizikal pada gentian optik seperti suhu, terikan dan getaran. Sebagai contoh, jika di sepanjang gentian optik tersebut berlaku aktiviti seperti berjalan, pengorekan tanah, pergerakan kenderaan dan lain-lain, bunyi atau getaran yang terhasil daripada aktiviti-aktiviti tersebut akan dipindahkan kepada gentian optik teragih, yang kemudian menyebabkan berlakunya perubahan ciri-ciri serakan cahaya di lokasi tersebut. Maklumat yang tersimpan di dalam serakan cahaya kemudiannya akan dihantar ke pengesan cahaya yang berada di dalam sistem pemproses penderia (Rajah 3). Pengesan cahaya akan menganalisis dan menterjemahkan sifat serakan cahaya tersebut ke dalam bentuk maklumat yang difahami oleh pengguna.

Di Malaysia terdapat pelbagai kegunaan yang boleh dimanfaatkan daripada teknologi sensor gentian optik teragih. Sebagai contohnya, di dalam industri minyak dan gas, teknologi sensor ini digunakan untuk aplikasi mengesan kebocoran minyak dan gas lebih awal bagi mengelakkan berlakunya kebakaran dan kemalangan jiwa. Di dalam industri tenaga pula, ia boleh digunakan untuk mengesan kebocoran arus elektrik di sepanjang kabel bervoltan tinggi, dan pada masa yang sama digunakan untuk membanteras jenayah kecurian kabel. Di dalam sektor keselamatan pula, kabel gentian optik boleh ditanam di sepanjang sempadan negara bagi tujuan pemantauan dan pencegahan aktiviti jenayah seperti kemasukan pendatang tanpa izin (PATI), penyeludupan dan lain-lain.

Namun, teknologi sensor gentian optik ini masih lagi merupakan teknologi yang baharu di Malaysia, di mana kajian penyelidikan dan pembangunan (R&D) masih belum dijalankan secara mendalam. Menyedari akan potensi teknologi ini sebagai salah satu pemacu pembangunan ekonomi negara berasaskan sains dan teknologi, pasukan penyelidik Makmal Teknologi Fotonik, Jabatan Kejuruteraan Elektrik, Elektronik dan Sistem, Fakulti Kejuruteraan dan Alam Bina, Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) kini sedang giat menjalankan aktiviti penyelidikan dan pembangunan berkaitan teknologi sensor gentian optik teragih melalui kerjasama penyelidikan bersama MIMOS Berhad.

Perkongsian kepakaran di antara pasukan penyelidik UKM dan juga penyelidik MIMOS Berhad telah berjaya membangunkan perkakasan asas sensor gentian optik teragih di Makmal Teknologi Fotonik UKM dan MIMOS untuk aplikasi mengukur perubahan terikan dan suhu. Jalinan kerjasama strategik di antara universiti penyelidikan (UKM) dan organisasi penyelidikan berkaitan kerajaan (MIMOS), dan memanfaatkan kepakaran yang ada di kedua-dua institusi diharap dapat meningkatkan daya saing teknologi sensor termaju ini di Malaysia agar setanding dengan penyelidikan peringkat antarabangsa. Selain itu, teknologi sensor ini juga berpotensi untuk meningkatkan kebolehpasaran syarikat tempatan dan bersaing dengan syarikat syarikat antarabangsa dalam pasaran teknologi termaju.

RUJUKAN:

1. Optical Fibre Trends (OFT), https://oft.co.za/
2. Recent Progress in Distributed Fiber Acoustic Sensing with Φ-OTDR, Sensors, MDPI, 2020, 20(22), 6594; https://doi.org/10.3390/s20226594

Biodata penulis:

Dr. Mohd Saiful Dzulkefly Bin Zan¹ merupakan Penyelidik di Makmal Teknologi Fotonik UKM, dan juga Pensyarah Kanan di Jabatan Kejuruteraan Elektrik, Elektronik dan Sistem, Fakulti Kejuruteraan dan Alam Bina Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). Dr. Suhairi Saharudin² merupakan Penyelidik Kanan di MIMOS Berhad.