Você ouve a respeito de cabos de fibra óptica sempre que as pessoas falam sobre o sistema telefônico, o sistema de TV a cabo ou a Internet. As linhas de fibra óptica são fios de vidro opticamente puros, tão finos quanto um fio de cabelo, que transmitem informação digital ao longo de grandes distâncias, também usada na geração de imagens médicas e em inspeções de engenharia mecânica.
Mas como esses minúsculos fios de vidro transmitem luz e de que maneira fascinante como eles são feitos?
O que são fibras ópticas?
Fibras ópticas são fios longos e finos de vidro muito puro, com o diâmetro aproximado de um fio de cabelo humano, dispostas em feixes chamados cabos ópticos e usadas para transmitir sinais de luz ao longo de grandes distâncias.
Se você olhar bem de perto uma única fibra óptica, verá que ela possui as seguintes partes:
• Núcleo - minúsculo centro de vidro da fibra, no qual a luz viaja;
• Interface - material óptico externo que circunda o núcleo e reflete a luz de volta para ele;
• Capa protetora - revestimento plástico que protege a fibra de danos e umidade.
Centenas ou milhares dessas fibras ópticas são dispostas em feixes nos cabos ópticos, que são protegidos pela cobertura externa do cabo, chamada jaqueta.
As fibras ópticas são fabricadas em dois tipos:
• fibras monomodo
• Fibras multímodo
As fibras monomodo possuem núcleos pequenos (cerca de 9 micrometros, ou seja, 9 milésimos de milímetro de diâmetro) e transmitem luz laser infravermelha (comprimento de onda de 1.300 a 1.550 nanometros). As fibras multímodo possuem núcleos maiores (cerca de 62,5 milésimos de milímetro de diâmetro) e transmitem luz infravermelha (comprimento de onda = 850 a 1.300 nm) proveniente de diodos emissores de luz (LEDs).
Algumas fibras ópticas podem ser feitas de plástico, possuem um núcleo grande (1 mm de diâmetro) e transmitem luz vermelha visível (comprimento de onda = 650 nm) proveniente de LEDs.
Como uma fibra óptica transmite luz?
Imagine que você queira enviar o facho de luz de uma lanterna através de um longo corredor reto. Basta apontá-lo diretamente na direção do corredor: a luz viaja em linha reta, então isso não é um problema. Mas e se o corredor virar à esquerda ou à direita? Você poderia colocar um espelho na curva para refletir o facho de luz e dobrar a esquina. Mas e se o corredor for muito sinuoso, com múltiplas mudanças de direção? Poderia revestir as paredes com espelhos e ajustar o ângulo do facho de modo que ele refletisse de um lado para outro ao longo do corredor. Isso é exatamente o que acontece em uma fibra óptica.
Em um cabo de fibra óptica, a luz viaja através do núcleo (o corredor) refletindo constantemente na interface (as paredes revestidas de espelhos), o que representa um princípio chamado de reflexão interna total. Como a interface não absorve nenhuma luz do núcleo, a onda de luz pode viajar grandes distâncias. Entretanto, uma parte do sinal luminoso se degrada dentro da fibra, principalmente em razão de impurezas contidas no vidro. O grau dessa degradação do sinal depende da pureza do vidro e do comprimento de onda da luz transmitida (por exemplo, 850 nm = 60 a 75%/km; 1.300 nm = 50 a 60%/km; para 1.550 nm, ela é maior do que 50%/km). Algumas fibras ópticas de qualidade excepcional apresentam uma degradação de sinal muito menor: menos de 10%/km em 1.550 nm.
Um sistema de retransmissão por fibra óptica
Para compreender como as fibras ópticas são usadas nos sistemas de comunicação, vamos usar um exemplo de um filme ou documentário sobre a Segunda Guerra Mundial em que dois navios de guerra de uma frota precisam se comunicar um com o outro enquanto mantêm silêncio de rádio ou estão em mares tempestuosos. Um navio emparelha com o outro. O capitão de um navio envia uma mensagem para um marinheiro no convés. Esse marinheiro traduz a mensagem em código Morse (pontos e traços) e usa um sinaleiro ou farolete para enviar a mensagem ao outro navio. Um marinheiro no convés do outro navio anota o código Morse, decodifica a mensagem e envia-a para o capitão.
Agora imagine fazer isso quando os navios estão um de cada lado do oceano, separados por milhares de quilômetros, e você possui um sistema de comunicação por fibra óptica em vez de dois navios. Os sistemas de retransmissão por fibra óptica consistem do seguinte:
• Transmissor - produz e codifica os sinais luminosos;
• Fibra óptica - conduz os sinais luminosos através da distância;
• Regenerador óptico - pode ser necessário para intensificar o sinal luminoso (para grandes distâncias);
• Receptor óptico - recebe e decodifica os sinais luminosos.
Transmissor
O transmissor faz o papel do marinheiro que envia a mensagem no convés do navio. Ele recebe e direciona o dispositivo óptico para acender e apagar a luz na seqüência correta, gerando assim um sinal luminoso.
O transmissor está fisicamente próximo da fibra óptica e pode até possuir uma lente para focalizar a luz na fibra. Os lasers possuem mais energia do que os LEDs, mas apresentam maior variação com mudanças na temperatura e são mais caros. Os comprimentos de onda mais comuns para os sinais luminosos são 850 nm, 1.300 nm e 1.550 nm (infravermelho, porções invisíveis do espectro).
Regenerador óptico
Como já foi mencionado, alguma perda de sinal ocorre quando a luz é transmitida através da fibra, especialmente por grandes distâncias (cerca de 1 km), como acontece nos cabos submarinos. Assim, um ou mais regeneradores ópticos são acrescentados ao longo do cabo para intensificar os sinais luminosos degradados.
Um regenerador óptico consiste de fibras ópticas com um revestimento especial (dopagem). A porção dopada é "bombeada" com um laser. Quando o sinal degradado penetra na camada dopada, a energia do laser permite que as moléculas dopadas se tornem elas mesmas lasers (emissoras de luz estimuladas por radiação). As moléculas dopadas emitem então um novo sinal luminoso, mais forte, com as mesmas características que o fraco sinal luminoso recebido. Basicamente, o regenerador é um amplificador a laser para o sinal recebido.
Receptor óptico
O receptor óptico faz o papel do marinheiro que recebe a mensagem no convés do navio, recebendo os sinais luminosos digitais, decodificando-os e enviando o sinal elétrico para o computador, TV ou telefone do outro usuário (o capitão do navio destinatário). O receptor usa uma fotocélula ou fotodiodo para detectar a luz.
Vantagens das fibras ópticas
Por que os sistemas de fibra óptica estão revolucionando as telecomunicações? Comparadas ao fio metálico convencional (de cobre), as fibras ópticas são:
• Mais baratas - muitos quilômetros de cabo óptico podem ser fabricados com custo menor que o comprimento equivalente de fio de cobre. Isso economiza o dinheiro de seu provedor (de TV a cabo ou Internet) e o seu também;
• Mais finas - as fibras ópticas podem ser estiradas com diâmetros menores do que um fio de cobre;
• Maior capacidade de transmissão - como as fibras ópticas são mais finas do que os fios de cobre, mais fibras do que fios de cobre podem ser colocadas juntas em um cabo de determinado diâmetro. Isso permite que mais linhas telefônicas passem pelo mesmo cabo ou que mais canais sejam transmitidos através do cabo para seu aparelho de TV a cabo;
• Menor degradação do sinal - a perda de sinal em uma fibra óptica é menor do que em um fio de cobre;
• Sinais luminosos - ao contrário do que ocorre com os sinais elétricos nos fios de cobre, os sinais luminosos não interferem com os de outras fibras ópticas contidas no mesmo cabo. Isso significa conversações ao telefone ou recepção de TV mais nítidas;
• Menor consumo de energia - como os sinais nas fibras ópticas se degradam menos, podem ser usados transmissores de menor potência em vez dos transmissores elétricos de alta voltagem necessários para os fios de cobre. Mais uma vez, isso economiza dinheiro para seu provedor e para você;
• Sinais digitais - as fibras ópticas são teoricamente adequadas para a transmissão de informação digital, o que é especialmente útil nas redes de computadores;
• Não inflamáveis - como não há eletricidade circulando através das fibras ópticas, elas não geram risco de incêndio;
• Leves - um cabo óptico pesa menos que um cabo de fios de cobre comparável. Os cabos de fibra óptica ocupam menos espaço no solo;
• Flexíveis - como as fibras ópticas são tão flexíveis e podem transmitir e receber luz, elas são usadas em muitas câmeras digitais flexíveis para as seguintes finalidades:
• Geração de imagens médicas - em broncoscópios, endoscópios, laparoscópios;
• Geração de imagens mecânicas - na inspeção mecânica de soldas em tubos e motores (em aviões, foguetes, ônibus espaciais, carros);
• Encanamentos - para inspecionar linhas de esgoto.
Por causa dessas vantagens, você vê as fibras ópticas sendo utilizadas em muitas indústrias, particularmente a de telecomunicações e as redes de computadores. Por exemplo, se você telefonar para a Europa a partir dos Estados Unidos (ou vice-versa) e o sinal for refletido por um satélite de comunicações, freqüentemente haverá um eco na linha. Entretanto, com os cabos de fibra óptica transatlânticos, a conexão é direta, sem ecos.
Como são feitas as fibras ópticas?
Agora que sabemos como funcionam os sistemas de fibra óptica e por que eles são úteis, é hora de perguntar: como eles são feitos? As fibras ópticas são feitas de vidro óptico extremamente puro. Costumamos achar que uma janela de vidro é transparente. Entretanto, quanto mais espesso for o vidro, menos transparente ele será em razão das impurezas nele contidas. O vidro de uma fibra óptica, porém, possui menos impurezas do que o vidro usado em janelas. Segue a descrição da qualidade do vidro feito por uma companhia: se você estivesse sobre um oceano feito de quilômetros de núcleo sólido de fibra de vidro, poderia ver claramente o fundo.
Fazer fibras ópticas requer as seguintes etapas:
1. Elaborar um cilindro de vidro pré-formado;
2. Estirar as fibras a partir da pré-forma;
3. Testar as fibras.
Fazendo o bastão de pré-forma
O vidro para a pré-forma é feito por um processo chamado deposição de vapor químico modificado (em inglês, MCVD).
No processo MCVD, o oxigênio borbulha através de soluções de cloreto de silício (SiCl4), cloreto de germânio (GeCl4) e/ou outros produtos químicos. A mistura exata governa as diversas propriedades físicas e ópticas (índice de refração, coeficiente de expansão, ponto de fusão, etc). Os vapores gasosos são então conduzidos para o interior de uma sílica sintética ou tubo de quartzo (interface) em um torno especial. À medida que o torno gira, um maçarico é movido para cima e para baixo no lado externo do tubo. O calor extremo proveniente do maçarico faz que duas coisas aconteçam:
• O silício e o germânio reagem com o oxigênio, formando dióxido de silício (SiO2) e dióxido de germânio (GeO2);
• O dióxido de silício e o dióxido de germânio se depositam no interior do tubo e se fundem para formar o vidro.
O torno gira continuamente para fazer um bastão consistente e de revestimento uniforme. A pureza do vidro é mantida pelo uso de plástico resistente à corrosão no sistema de fornecimento de gás (blocos de válvulas, tubos, vedações) e pelo controle preciso do fluxo e composição da mistura. O processo de fazer o bastão de pré-forma é altamente automatizado e leva várias horas. Depois que o bastão de pré-forma se resfria, é testado para controle de qualidade (índice de refração).
Estirando as fibras a partir do bastão de pré-forma
Assim que o bastão de pré-forma é testado, é carregado em uma torre de estiramento de fibra.
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