Símbolo da revolução nas telecomunicações, fibra ótica ainda possui um vasto campo de pesquisas à ser explorado
Quando falamos em sistemas telefônicos, de TV a cabo ou Internet, o nome fibra óptica sempre aparece. Esta tecnologia é tão inovadora que proporciona o alcance de taxas de transmissão elevadíssimas, da ordem de dez elevado à nona potência a dez elevado à décima potência, de bits por segundo (cerca de 1Gbps), com baixa taxa de atenuação por quilômetro.
Contudo a velocidade de transmissão total possível ainda não foi alcançada pelas tecnologias existentes. Lembrando que a máxima velocidade não é a da luz no vácuo, 300.000 km/segundo, pois deve-se considerar que a luz se propaga no interior de um meio físico, sofrendo ainda o fenômeno de reflexão, sendo esta velocidade diminuída consideravelmente.
O que é uma Fibra Óptica
É um filamento de vidro ou de materiais poliméricos com capacidade de transmitir luz. Tal filamento pode apresentar diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, indo desde diâmetros ínfimos, da ordem de micrômetros (mais finos que um fio de cabelo) até vários milímetros. O vidro é o material mais utilizado na fabricação das fibras pois ele absorve menos as ondas eletromagnéticas.
Foi inventada pelo físico indiano Narinder Singh Kapany em 1952. Em seus estudos Kapany verificou que a luz poderia descrever um trajetória curva dentro de um material (no experimento de Tyndall esse material era a água).
Funcionamento
O princípio fundamental que rege o seu funcionamento é o fenômeno físico denominado reflexão total da luz. Para que haja a reflexão total, a luz deve sair de um meio mais refringente para um meio menos refringente, e o ângulo de incidência deve ser igual ou maior do que o ângulo limite (também chamado ângulo de Brewster).
Em outras palavras, a transmissão da luz pela fibra segue um princípio único, independentemente do material usado ou da aplicação. É lançado um feixe de luz numa extremidade da fibra e, pelas características ópticas do meio (fibra), esse feixe percorre a fibra por meio de reflexões sucessivas.
A transmissão é feita através de ondas eletromagnéticas (como a luz) uma vez que são transparentes e podem ser agrupadas em cabos. Para a transmissão é necessário um equipamento especial chamado infodutor, que contém um componente foto emissor, que pode ser um diodo emissor de luz (LED) ou um diodo laser. O foto emissor converte sinais elétricos em pulsos de luz que representam os valores digitais binários (0 e 1).
O meio de transmissão por fibra óptica é chamado de “guiado”, porque as ondas eletromagnéticas são “guiadas” na fibra, contrariamente à transmissão “sem-fio”, cujo meio é chamado de “não-guiado”.
Características Básicas
– Imunidade às Interferências Eletromagnéticas e Características Dielétricas: Por serem feitas de materiais dielétricos como vidro e plástico, uma fibra óptica é totalmente imune as Interferências Eletromagnéticas, além de serem isolantes à passagem da corrente elétrica.
– Dimensões Reduzidas: As fibras ópticas apresentam dimensões muito pequenas, da ordem de Microns (Micro = 1.10-6 ms), milésima parte do milímetro, quando comparadas com os sistemas de cabos de cobre.
– Segurança no tráfego de informações: As fibras ópticas trabalham com sinais de luz, o que dificulta muito o uso de “grampos”. Para que possamos executar um grampo em uma fibra óptica, necessitamos de aparelhos complexos e caros, capazes de decifrar os sinais de luz.
– Baixas Atenuações de Transmissão: Por apresentarem baixas perdas de transmissão (Atenuação), as fibras ópticas são muito usadas em sistemas de longa distância. Comparativamente, um enlace de Microondas está limitado à linha do horizonte, cerca de 90 km, nos melhores casos, necessitando de repetidores para distâncias maiores. Um enlace de fibra óptica necessita de repetidores à partir de 250 km.
– Maior Banda de Transmissão: A capacidade de transmissão de um sistema de telemática está limitada à freqüência da portadora, como a fibra óptica trabalha com sinais de luz, encontramos valores Banda de Transmissão entre 150MHz até 500MHz, dependendo do tipo de fibra. Nos sistemas de transmissão mais modernos, chegamos à Banda de Transmissão da ordem de THZ.
Tipos de Fibras Ópticas
As fibras ópticas são classificadas de acordo com o seu tipo de fabricação e forma de propagação dos raios de luz, além de sua capacidade de transmissão (Largura de Banda) e sua facilidade de acoplamento aos equipamentos ativos e conexões.
– Fibra Óptica Multimodo
São tipos de fibras ópticas com dimensões de núcleo relativamente grandes, permitem a incidência de raios de luz em vários ângulos. São relativamente fáceis de fabricar.
As dimensões de uma fibra óptica Multi Modo são:
– Núcleo: De 50 até 200 µm, comercialmente adota-se o núcleo de 62,5µm.
– Casca: De 125 até 240 µm, comercialmente adota-se à casca de 125µm.
Com a relação ao Núcleo, existem 2 tipos básicos de perfis de núcleo:
– Índice Degrau: Apresentam apenas um nível de reflexão entre o núcleo e a casca, este tipo perfil, por suas dimensões relativamente grandes, permitem uma maior simplicidade de fabricação e operação, além de permitirem uma grande capacidade de captação da luz. Sua capacidade de transmissão é relativamente baixa.
– Índice Gradual: Apresentam vários níveis de reflexão entre o núcleo e a casca, este tipo de perfil mantém ainda uma simplicidade de fabricação e operação, porém exibe uma maior capacidade de transmissão. Suas dimensões são maiores que as do tipo Degrau.
Com relação à Casca, existem os seguintes tipos básicos:
– Casca Simples: Apresentam apenas um envoltório sobre o núcleo.
– Casca Dupla: Apresentam mais de um envoltório sobre o núcleo.
– Fibra Óptica Mono Modo
São tipos de fibras ópticas com dimensões de núcleo muito pequenas, permitem a incidência de raios de luz em um único ângulo.
Sua fabricação requer equipamentos muito complexos. As dimensões de uma fibra óptica Mono Modo são:
– Núcleo: Típico de 08 ± 1 comercialmente adota-se o núcleo de 08µm.
– Casca: De 125 até 240µm, comercialmente adota-se à casca de 125µm.
Com a relação ao Núcleo, existem 2 tipos básicos de perfis de núcleo:
– Índice Degrau: Apresentam apenas um nível de reflexão entre o núcleo e a casca.
– Índice Gradual: Apresentam vários níveis de reflexão entre o núcleo e a casca.
Com relação à Casca, existem os seguintes tipos básicos:
– Casca Simples: Apresentam apenas um envoltório sobre o núcleo.
– Casca Dupla: Apresentam mais de um envoltório sobre o núcleo.
Processo de Fabricação
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.
Basicamente o processo de fabricação pode ser dividido em 3 etapas:
1. Elaboração de um cilindro de vidro pré-formado
O vidro para a pré-forma é feito por um processo chamado deposição de vapor químico modificado (MCVD – Modificated Chemical Vapour Deposition).
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).
2. 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.O bastão é rebaixado a um forno de grafite (1.900 a 2.200°C) e a ponta se funde até que um glóbulo derretido caia pela ação da gravidade.
À medida que ele cai, se resfria e forma um filamento. O operador passa o filamento através de uma série de copos de revestimento (capas protetoras) e estufas de secagem com luz ultravioleta para um carretel de tração controlada.
O mecanismo de tração puxa lentamente a fibra a partir do bastão de pré-forma aquecido e é controlado precisamente por meio de um micrômetro a laser, que mede o diâmetro da fibra e alimenta a informação de volta para o mecanismo de tração. As fibras são tracionadas a partir do bastão a uma taxa de 10 a 20 m/s e o produto acabado é enrolado no carretel. Os carretéis comportam freqüentemente mais de 2,2 km de fibra óptica.
3. Testando a fibra óptica acabada
A fibra óptica acabada é testada quanto a:
– Resistência à tração: Deve suportar 7.033 kgf/cm2 ou mais;
– Perfil do índice de refração: Determina a abertura numérica, assim como a tela para os defeitos ópticos;
– Geometria da fibra: O diâmetro do núcleo, as dimensões da interface e o diâmetro da capa devem ser uniformes;
– Atenuação: Determina o quanto os sinais luminosos de diversos comprimentos de onda se degradam com a distância;
– Capacidade de transmissão de informação (largura de banda): Número de sinais que podem ser transmitidos de cada vez (fibras multimodo);
– Dispersão cromática: Dispersão de diversos comprimentos de onda da luz através do núcleo (importante para a largura de banda);
– Faixa operacional de temperatura/umidade;
– Dependência de temperatura da atenuação;
– Capacidade de condução de luz sob a água: importante para cabos submarinos;
Veja o video de como as fibra ópticas são fabricadas, passo a passo.
Fonte: Sinal Amplificado