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FIBRAS ÓPTICAS – Por João Luís Gregório e Silva

João Luís G. e Silva
João Luís G. e Silva

As fibras óticas são filamentos flexíveis fabricados em materiais transparentes como fibras de vidro ou plástico e que são utilizadas como meio de propagação da luz. As fibras ópticas são geralmente muito finas, com apenas alguns micrômetros de espessura, mas podem ter vários quilômetros de comprimento. Fibras ópticas têm diversas aplicações, sendo a transmissão de dados uma das mais comuns.

As fibras ópticas são formadas por um núcleo transparente de alto índice de refração revestido por camadas plásticas transparentes cujos índices de refração são mais baixos que os do núcleo. O fenômeno físico que permite a utilização das fibras ópticas é a reflexão interna total da luz.

Refração da luz – É o fenômeno que consiste na mudança de velocidade de propagação da onda eletromagnética quando essa atravessa meios ópticos diferentes. Durante a refração, o comprimento de onda da luz muda, enquanto a sua frequência permanece constante. A refração pode ou não ser acompanhada de uma mudança na direção da propagação da luz. A refração ocorre quando a luz atravessa a interface entre dois meios ópticos e transparentes, como ar e água. Quando isso acontece, a velocidade de propagação da luz muda, uma vez que essa velocidade depende de uma característica de cada meio óptico chamada de índice de refração absoluto. O índice de refração absoluto é uma grandeza adimensional, isto é, uma grandeza que não tem unidade de medida, calculada pela razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz naquele meio.

Quanto maior é o índice de refração de um meio, menor é a velocidade em que a luz se propaga em seu interior, em outras palavras, dizemos que o meio é mais refringente. Uma vez que não existe qualquer meio óptico em que a luz se propague mais rapidamente que no vácuo, o índice de refração absoluto é sempre maior ou igual a 1. Diferentemente do índice de refração absoluto, que mede a relação entre a velocidade da luz naquele meio e a velocidade da luz no vácuo, o índice de refração relativo mede a relação entre as velocidades de propagação da luz nos dois meios e, por isso, pode assumir valores maiores ou menores que

1. Para que ocorra a sua reflexão interna total, a luz é emitida para o interior do núcleo da fibra óptica em um ângulo mínimo de incidência, chamado de ângulo limite (também chamado de ângulo crítico), medido em relação à interface entre o núcleo e seu revestimento. Tal ângulo permite que a luz sofra sucessivas reflexões internas no interior da fibra óptica sem que ela escape de lá. Dessa forma, a luz pode ser propagada por longas distâncias, com perdas mínimas em sua intensidade, além de acompanhar o formato em que os cabos de fibra óptica estão dispostos.

As fibras ópticas também podem propagar mais de uma cor, ou comprimento de onda, em seu interior. Esse processo, chamado de multiplexação, permite que mais informações sejam transmitidas simultaneamente ao longo de uma única fibra óptica, como os dados de internet, telefone e televisão, algo que não pode ser feito nos cabos convencionais, como aqueles feitos de cobre, largamente utilizados para transferência de dados. Ao serem emitidos diferentes comprimentos de onda no interior de uma fibra óptica, as cores tendem a se misturar, formando assim um feixe branco, em razão da síntese aditiva das cores. Dessa forma, nos terminais desse tipo de cabo óptico, utiliza-se uma espécie de prisma capaz de dispersar a luz, separando as diferentes cores e exibindo, assim, o seu espectro discreto, característico de cada comprimento de onda.

O material mais comum para a construção das fibras ópticas é a sílica, nome popular do óxido de silício (SiO2). No entanto, de acordo com a aplicação desejada, outros materiais podem ser empregados em sua construção, como vidros derivados do flúor e alguns elementos da família dos calcogênios, como o enxofre.

Usos – Os principais usos das fibras ópticas são os seguinte:

a) Transmissão de dados: As fibras ópticas podem ser usadas para transmitir dados de internet, telefone, televisão, redes, rádio etc.

b) Obtenção de imagens: As fibras ópticas podem ser usadas para obter imagens de lugares de difícil acesso, uma vez que a luz pode ser refletida em seu interior por grandes distâncias.

c) Sensores: Por meio das fibras ópticas, é possível construir uma grande variedade de sensores capazes de variações sensíveis de temperatura, pequenas deformações em sólidos, frequências de luz, polarização da luz etc.

Vantagens – As maiores vantagens no uso da fibra óptica são:

a) Velocidade de transmissão: A maior parte dos cabos de fibra óptica usados no mundo é capaz de transmitir 40 Gbit/s (Gigabits por segundo, entretanto.

b) Resistência a interferências eletromagnéticas: Os cabos de fibra óptica são feitos de materiais dielétricos, e a propagação da luz no interior desses materiais não sofre interferência por ondas eletromagnéticas externas.

c) Baixa atenuação de sinal: Diferentemente dos cabos condutores, as fibras ópticas conseguem transmitir informações com pequenas perdas: cerca de 0,2 dB/km (0,2 decibels – unidade de intensidade da energia carregada pela onda).

d) Vida útil: Esse tipo de cabos tem uma vida útil muito longa, estimada em mais de 100 anos de uso contínuo.

e) Espaço: Em razão da sua taxa de transferência de dados, os cabos de fibra óptica ocupam espaços muito menores do que os cabos convencionais.

Limitações – Suas maiores limitações são as seguintes:

a) Aplicação: Os cabos de fibra óptica são subterrâneos ou sempre conectados ao chão.

b) Fragilidade: Os cabos de fibra óptica são sensíveis e podem se romper mais facilmente que os cabos de cobre, além disso, não são tão maleáveis quanto cabos metálicos.

c) Distâncias: Apesar de absorverem pouca luz, os cabos de fibra óptica que cobrem grandes distâncias, como aqueles que são submarinos, precisam de muitos repetidores de sinais para reforçar as perdas da intensidade da luz.

Backbones – As velocidades dos backbones (conjuntos de cabos de fibras ópticas) são impressionantes. A maior parte dos cabos de fibra óptica utilizados atualmente tem capacidades de transmissão entre 10 e 40 Gbits/s. No entanto, existem diversas aplicações em que são necessárias maiores taxas de transferências, por isso, algumas companhias de telecomunicação já desenvolveram cabos com mais de 7000 km de comprimento, capazes de transmitir até 15,5 Terabits por segundo. Estima-se que cabos de fibra óptica desse tipo sejam capazes de sustentar até 3.000.000 de chamadas telefônicas simultâneas ou até 90.000 canais de televisão.

Brasil inovando nesse segmento – Um novo processo de fabricação de fibras ópticas especiais foi desenvolvido pelo pesquisador Cristiano Cordeiro, professor do Instituto de Física da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp) e se mostra muito mais simples, rápido e barato do que os tradicionais, reportou a Agência Fapesp. Cordeiro criou o método durante estágio de pesquisa na University of Adelaide, na Austrália, apoiado por bolsa da FAPESP, em parceria com Heike Ebendorff-Heidepriem. Artigo, assinado pelos dois e mais um colaborador, foi publicado no periódico Scientific Reports, do grupo Nature: “Ultra-simplified Single-Step Fabrication of Microstructured Optical Fiber”.

Para a Agência FAPESP, Cordeiro disse que o processo convencional necessita de um equipamento enorme e extremamente caro e que demanda quase uma semana de trabalho. O processo desenvolvido por ele pode ser realizado com um equipamento de bancada, no mínimo cem vezes mais barato, afirmou, acrescentando que vai do grão de polímero à fibra microestruturada pronta em menos de uma hora. Ele acredita que com isso muito mais pesquisadores e laboratórios estarão em condições de produzir suas próprias fibras ópticas. Em linhas bem gerais, o procedimento é semelhante ao método de extrusão utilizado na fabricação de macarrões: uma massa mole é pressionada e empurrada através de um molde; e o fio, com sua estrutura interna, sai pela outra ponta.

Cordeiro explicou que a produção convencional exige uma sequência de etapas e equipamentos de alta complexidade, como a torre de fabricação. “É preciso, primeiro, criar uma versão macroscópica da fibra, com dois a dez centímetros de diâmetro. Essa estrutura é então aquecida e controladamente tracionada pela torre de fabricação. A massa se conserva, e o diâmetro diminui enquanto o comprimento aumenta. Nosso método simplifica e barateia enormemente o procedimento.

Alimentado com grãos de polímero, o dispositivo que concebemos vai da matéria-prima ao produto final em uma única etapa”, descreveu.
O procedimento, permite fabricar não apenas as fibras totalmente sólidas, nas quais a luz é transmitida por meio de um núcleo com maior índice de refração. Mas também as fibras microestruturadas, que possuem um arranjo de buracos paralelos ao eixo longitudinal, possibilitando maior controle das propriedades ópticas e mais funcionalidades, incluindo a oportunidade de guiar luz com baixa perda de energia em um canal de ar. Para criar as microestruturas, os pesquisadores empregam moldes de titânio com desenhos apropriados.

“Para simplificar a fabricação das fibras ópticas especiais, utilizamos equipamentos e técnicas que têm ficado cada vez mais baratos e corriqueiros devido à popularização das impressoras 3D. O único equipamento usado é uma extrusora horizontal, semelhante às empregadas na fabricação de filamentos para impressoras 3D. Esse dispositivo, não maior do que um forno de micro-ondas, tem custo extremamente reduzido quando comparado com a torre de fabricação. O molde de titânio, com partes sólidas e orifícios, é acoplado na saída da extrusora”, disse Cordeiro.

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1 comentário
  1. Maria de Lourdes Diz

    Grande colunista de tecnologia. Um achado para o Jornal de Caruaru. Excelente seus artigos. Recomendo aos leitores em geral, e não só os nerds do agreste.

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