Fibras Óptica

As linhas de fibra óptica são fios de vidro opticamente puro, tão finos quanto um fio de cabelo, que transmitem informação digital ao longo de grandes distâncias, também usadas na geração de imagens médicas e em inspeções de engenharia mecânica.

Como dito, 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.

Uma unica fibra óptica 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.

Partes de uma única fibra óptica

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; e, – fibras multimodo

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 multimodo 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.

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.

Diagrama da reflexão interna total 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.

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.

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).

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.

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.

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 digitaisflexíveis 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 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: – elaborar um cilindro de vidro pré-formado; – estirar as fibras a partir da pré-forma; – testar as fibras.

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 tornoespecial.

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.

Torno usado na preparação do bastão de pré-forma .

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).

Assim que o bastão de pré-forma é testado, é carregado em uma torre de estiramento de fibra.

Diagrama de uma torre de estiramento de fibra usada para estirar as fibras de vidro óptico a partir de um bastão de pré-forma

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.

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;

Assim que as fibras passam pelo controle de qualidade, são vendidas para companhias telefônicas, de TV a cabo e provedores de redes. Atualmente, diversas companhias estão substituindo seus antigos sistemas baseados em fio de cobre por novos sistemas com base em fibra óptica para melhorar a velocidade, capacidade e clareza das informações transmitidas.

Física da reflexão interna total

Reflexão interna total em uma fibra óptica

Quando a luz passa de um meio m1 com um índice de refração para outro meio m2 com um índice de refração mais baixo, ela se desvia ou refrata para longe de uma linha imaginária perpendicular à superfície (linha normal). Conforme o ângulo do feixe através de m1 se torna maior em relação à linha normal, a luz refratada através de m2 se desvia para longe da linha.

Em um ângulo particular (o ângulo crítico), a luz refratada não penetrará em m2, viajando ao longo da superfície entre os dois meios: (sen(ângulo crítico) = n2/n1, onde n1 e n2 são os índices de refração dos meios m1 e m2 – sendo que n1 é maior do que n2. Se o ângulo do feixe através de m1 for maior do que o ângulo crítico, então o feixe refratado será refletido inteiramente de volta para m1 (reflexão interna total), mesmo que m2 seja transparente!

Em física, o ângulo crítico é descrito em relação à linha normal. Para as fibras ópticas, o ângulo crítico é descrito em relação ao eixo paralelo que corre pelo meio da fibra. Assim, o ângulo crítico da fibra óptica é igual a 90 graus menos o ângulo crítico físico.

Em uma fibra óptica, a luz viaja através do núcleo (m1, de alto índice de refração), refletindo-se constantemente na interface (m2, de menor índice de refração), porque o ângulo da luz é sempre maior do que o ângulo crítico. A luz se refletirá na interface, não importando o ângulo em que a fibra seja curvada, mesmo que seja um círculo completo.

Como a interface não absorve nenhuma luz do núcleo, a onda luminosa pode viajar grandes distâncias. Entretanto, uma parte do sinal luminoso se degrada dentro da fibra, principalmente em razão das impurezas contidas no vidro. A intensidade 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.

Fonte: Internet

2011 05 30

Anúncios