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Fibras ópticas - Conselho Regional de Química - IV Região

Fibras ópticas 

 


Nos dias de hoje, é difícil imaginarmos que não possamos acessar um sítio eletrônico de outro país a partir de nossos computadores, celular ou tablets no momento em que desejarmos. É impensável que não possamos nos comunicar, em tempo real, por redes sociais ou ainda ouvir uma rádio ao vivo do Japão ou da Austrália. A comunicação pelo mundo tem se tornado cada vez mais eficiente, possibilitando a transmissão de voz, imagens e vídeos em tempo real e com altíssima qualidade, inclusive imagens tridimensionais. Hoje pagamos nossas contas pelo celular e fazemos compras sem sair de casa. Essas maravilhas dos tempos modernos são possíveis devido à utilização de fibras ópticas. No entanto, as aplicações das fibras ópticas não se restringem as telecomunicações, mas também vêm sendo amplamente utilizadas em medicina, odontologia, sensoriamento óptico, iluminação, entre outras.

Mas afinal, o que é uma fibra óptica?

A fibra óptica é um fio com espessura similar a de um cabelo (na ordem de 100 a 200 mm) e com comprimento que pode chegar a centenas de quilômetros, na qual sinais de luz podem ser transmitidos de um lugar a outro. As fibras podem ser produzidas utilizando vidros ou plásticos, dependendo da aplicação para a qual se destina.

Para aplicações em telecomunicações, são usadas fibras ópticas obtidas a partir de reagentes químicos de altíssima pureza (pureza de 99,999%) para produzir vidros cuja composição é majoritariamente dióxido de silício, SiO2, também chamado de “vidros de sílica”. A composição química e pureza do vidro utilizado para a preparação de fibras ópticas é de fundamental importância, pois a luz transmitida pela fibra não deve interagir com impurezas e defeitos contidos no material que a compõe, minimizando perdas da luz transmitida, o que permite a transmissão do sinal óptico por distâncias maiores sem que haja diminuição de sua intensidade no final.

Figura 1 - Desenho esquemático do corte transversal de uma fibra óptica convencional do tipo núcelo-casa

Basicamente, a estrutura das fibras ópticas convencionais que são utilizadas em sistemas de telecomunicação e é composta de um núcleo, uma casca e uma capa protetora polimérica. A luz é guiada pelo núcleo da fibra, o qual, assim como a casca, é constituído por material vítreo, conforme ilustra a Figura 1. No entanto, o núcleo apresenta um índice de refração (índice de refração é a relação entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um determinado meio) ligeiramente maior ao da casca devido a pequenas variações da composição química desses vidros. Esta pequena diferença de índice de refração leva ao confinamento da luz dentro do núcleo através de reflexões internas totais da luz na interface núcleo-casca, permitindo o guiamento da luz na fibra óptica apenas pelo núcleo. A capa protetora é composta por um material polimérico que tem a função de aumentar a resistência mecânica da fibra óptica (manuseio, curvatura, pressão) e protegê-la de intempéries provenientes da atmosfera ambiente na qual está inserida.

A principal vantagem das fibras ópticas quando comparadas aos tradicionais meios de comunicação feitos por fios de cobre e frequências de micro-ondas, é a sua capacidade de transportar um grande volume de informações em distâncias maiores e em muito menos tempo do que os demais meios de comunicação. Por exemplo, uma rede local que utiliza linhas de cobre pode carregar três mil chamadas de telefone por vez, enquanto um sistema similar usando fibras ópticas pode carregar mais de 31 mil chamadas simultaneamente. Além disso, as fibras ópticas não são afetadas por interferências de radiação eletromagnética, tornando possível a transmissão de informação e dados com menos ruídos e erros. A utilização de fibras ópticas permite várias aplicações as quais não são possíveis com condutores metálicos, como por exemplo, aplicações científicas, sensores químicos, cirurgias médicas, monitoramento industrial, iluminação e transporte de imagem.

Figura 2 - Experimento de John Tyn-dall demonstrando o guiamento da luz através de um jato d'água

O uso da luz com o propósito de comunicação data da antiguidade e os primeiros relatos são de, aproximadamente, 50 d.C.. Desde então, diversas civilizações utilizavam espelhos, fogo, faróis ou sinais de fumaça para transmitir uma única informação como, por exemplo, para anunciar a vitória em uma guerra. Essencialmente a mesma ideia foi utilizada até o final do século XVIII através de lâmpadas sinalizadoras, bandeiras e outros dispositivos semafóricos. A ideia foi ainda mais estendida em 1792, seguida pela sugestão de Claude Chappe para transmitir opto-mecanicamente mensagens codificadas para longas distâncias (~100 km) usando um telégrafo óptico.

Os primeiros estudos da propagação guiada de um feixe de luz ocorreram em 1842, quando Jean-Daniel Colladon e Jacques Babinet observaram o comportamento de um feixe de luz sendo transmitido através de um jato d’água. Este fenômeno ficou famoso somente quando John Tyndall fez uma demonstração pública, como mostra a ilustração da Figura 2. Já em 1880, Alexander Graham Bell inventou o telefone baseado em um sistema de comunicação por luz. Naquele sistema, a luz do Sol era refletida em um espelho fino, que vibrava de acordo com a fala do locutor, e o reflexo era modulado de acordo com a vibração do espelho, ou seja, de acordo com cada palavra dita. Por fim, a luz carregada de informação (dada pelas diferentes vibrações do espelho), era incidida em um sensor de luz à base de Selênio. Este convertia o sinal luminoso em corrente elétrica, transmitindo o sinal elétrico até aos autofalantes onde a mensagem era reproduzida. Na década de 1960, a invenção de fontes laser (luz monocromática de alta energia) contribuiu para alavancar as pesquisas com fibras ópticas e dar credibilidade às transmissões ópticas para aplicações, principalmente em telecomunicações.

Em 1966, Charles K. Kao e seus colaboradores fizeram o trabalho pioneiro utilizando fibras ópticas como meio de telecomunicação. Utilizando fibras de sílica de alta pureza, sua equipe demonstrou que as altas perdas do sinal óptico existentes nas fibras ópticas surgiam devido às impurezas contidas nos vidros (pequenas quantidades de água) ao invés de problemas subjacentes com a tecnologia de produção de fibras em si. A partir deste estudo, diversas redes de comunicações ópticas compostas por fibras de sílica com perdas mínimas na transmissão foram instaladas ao redor do mundo e são extensivamente utilizadas atualmente. Devido à enorme importância do trabalho de Charles K. Kao, em 2009 ele foi laureado com o Prêmio Nobel em Física (Figura 3).

Além da extensa aplicação das fibras ópticas em sistemas de telecomunicação e transporte de informação, outras vantagens tornam estes materiais extremamente promissores para aplicações tecnológicas, dentre as quais podemos citar:

Figura 3 - Fotografia de Charles K. Kao em seu laboratório

  1. São muito mais eficientes do que os fios de cobre convencionais (ainda muito usados em diversos países, inclusive no Brasil) para a transmissão de chamadas telefônicas, sinais de TV, dados, etc. De forma geral, uma fibra de telecomunicação transfere uma quantidade de dados a uma taxa de alguns Tb/s (terabytes por segundo), enquanto o mesmo volume de dados é transmitido por cabos convencionais a uma taxa de alguns Mb/s (megabytes por segundo);

  2. Os sinais transmitidos podem ser (e são) levados para distâncias muito maiores (até 100 km) com baixa perda do sinal óptico e, atualmente, com o auxílio de amplificadores instalados em certos pontos ao longo das linhas de fibras ópticas (os quais são responsáveis em regenerar a intensidade do sinal atenuado), milhares de quilômetros de fibras ópticas ligam os continentes através de cabos transoceânicos;

  3. Devido à natureza isolante dos materiais vítreos e poliméricos usados na fabricação das fibras ópticas, eles não sofrem interferências eletromagnéticas uma vez que conduzem luz e não elétrons como nos fios de cobre. Neste sentido e do ponto de vista de segurança, não há riscos de curtos circuitos e choques elétricos quando fibras ópticas são utilizadas;

  4. A alta resistência química à corrosão (muitas vezes favorecida pela umidade atmosférica) dos vidros e polímeros confere às fibras ópticas a capacidade de serem instalados em ambientes úmidos e molhados, como no caso de cabos subterrâneos e transoceânicos;

  5. Embora as fibras ópticas sejam obtidas por métodos envolvendo tecnologia avançada e certa complexidade na produção, sua comercialização em larga escala se torna extremamente barata, atingindo um preço final de alguns centavos de Reais por metro.

As fibras ópticas convencionais à base de sílica (SiO2) operam, principalmente, nos comprimentos de onda 850, 1.310 e 1.550 nm, ou seja, nas regiões de maior transparência da sílica e que se encontra na região do infravermelho do espectro eletromagnético, ou seja, nas regiões espectrais de menores perdas ópticas do sinal transmitido. Estes comprimentos de onda, ou janelas de transparência das fibras de sílica (fibras de telecomunicação), são chamados de primeira, segunda e terceira janelas de telecomunicações, respectivamente. Sistemas de fibras operando em qualquer um dos sistemas já estão bem estabelecidos e apresentam cada qual sua aplicação. Sistemas operando em 850 nm (1ª janela de telecomunicação) possuem maiores perdas de sinal e são mais utilizados para transmissão de menor volume de informação e em curtas distâncias (metros ou alguns quilômetros). Os sistemas que operam em 1.550 nm possuem as menores perdas ópticas e assim permitem a transmissão de um grande volume de informação por longas distâncias (de centenas a milhares de quilômetros).

Limitações - Embora as fibras ópticas possuam qualidades e vantagens para transmissão de informação, elas também apresentam algumas características que limitam sua utilização. As fibras são mecanicamente frágeis e devem ser manipuladas cuidadosamente durante sua fabricação e instalação. Apesar de transmitirem informações como luz e por uma distância muito maior quando comparadas aos cabos de cobre, o sinal nas fibras também é atenuado e, portanto, é necessário o uso de amplificadores ópticos em média a cada 50 - 100 km. Amplificadores ópticos são fibras especiais nas quais o núcleo possui pequenas quantidades (dopagem) de elementos terras-raras que auxiliam na amplificação ou regeneração do sinal de luz atenuado. Devido à especificidade e complexidade na produção destas fibras, o custo de um amplificador óptico pode atingir algumas dezenas de milhares de Reais.

Figura 4 - Micrografia da seção transversal de uma (A) fibra óptica micro-estruturada com núcleo sólido e (B) fibra ópti-   ca fotônica com núcleo oco.

Uma nova geração de fibras ópticas surgiu em 1996. Naquele ano, pesquisadores da Universidade de Bath, na Inglaterra, coordenados por P. St. J. Russel [2] fabricou a primeira fibra óptica microestruturada, apresentada na Figura 4A. Como pode ser visto na figura, a região da casca é composta por uma estrutura complexa, formada por capilares ordenados de forma periódica. Na região central, ou núcleo, ocorre a quebra da periodicidade, ou seja, ocorre a substituição de um capilar por um bastão sólido de sílica. Logo, a fibra apresenta núcleo sólido, com a luz sendo guiada na sílica, enquanto o índice de refração menor da casca é dado pelo índice do ar. Esta nova classe de fibra óptica pode ser chamada de fibras microestruturadas (do inglês, Microstructured Optical Fibers, MOF), perfurada (Holey Fiber – HF|) ou fibra de cristal fotônico (Photonic Crystal Fibers - PCF).

Em 1999, R. F. Cregan e colaboradores [3], também pesquisadores do grupo de P. St. J. Russell, fabricaram outro tipo de fibra microestruturada com núcleo de ar, como mostra a Figura 4B. Neste caso, a periodicidade do cristal é quebrada pela exclusão de alguns tubos centrais para formar o núcleo da fibra ao longo do qual a luz será guiada. Estas foram as duas primeiras demonstrações práticas de fibras ópticas microestruturadas. É válido mencionar que o desenvolvimento das fibras ópticas microestruturadas permitiu explorar novas propriedades ópticas que, até então, não eram possíveis nas fibras ópticas convencionais.

Embora as fibras ópticas sejam utilizadas em grande escala na área de telecomunicações, suas pequenas dimensões (geralmente 125 mm de diâmetro total) possibilitam uma grande versatilidade de aplicações em diversos outros campos da tecnologia. Dependendo da aplicação é possível variar a composição química do vidro do qual a fibra é produzida, adaptando as propriedades conforme o objetivo do uso. Em medicina, as fibras são utilizadas em procedimentos cirúrgicos e imageamento, como cateterismo, destruição de cálculos renais, cauterização etc. Durante as cirurgias, um cabo de fibra óptica é introduzido pela veia ou tecido do paciente, permitindo ao médico faça o procedimento sem a necessidade de cortes profundos. Cada fibra óptica que compõe o cabo tem sua função: uma é usada para iluminação no interior do corpo, outra é responsável por transmitir as imagens até um monitor, e uma terceira - a que emite radiação laser - é responsável por fazer a desobstrução, cauterização ou corte do local a ser operado.

Uma área da medicina que muito se beneficia do uso de fibras ópticas para cirurgias é a oftalmologia, pois o uso dessa tecnologia confere grande precisão nas cirurgias de correção ocular. Na odontologia, o “motorzinho” usado para tratar os dentes também vem sendo substituído por lasers guiados por fibras ópticas. Pequenos procedimentos cirúrgicos, tal como cirurgia de gengivas, podem ser realizados permitindo cortar a gengiva e simultaneamente cauterizá-la, diminuindo o sangramento e o tempo de recuperação do paciente. Os lasers guiados por fibras também são utilizados em clareamento dentário.

As fibras ópticas também podem ser utilizadas como sensores químicos, na detecção de variações composicionais de materiais. Também são úteis em trabalhos destinados a verificar o estresse mecânico de estruturas civis (barragens, túneis), vazamentos (oleodutos, gasodutos) e de temperatura, evitando desastres e reduzindo prejuízos. Elas ainda podem ser usadas como instrumentos de medidas de alta precisão.

Na área de iluminação, as fibras ópticas poliméricas ganham destaque e são utilizadas para o guiamento de luz, captada da luz solar, até um local escuro dentro do ambiente, reduzindo o custo energético do estabelecimento. Também podem ser usada para iluminação voltada ao entretenimento.

Em um futuro próximo, as fibras ópticas serão utilizadas em computação, substituindo os chips feitos de materiais semicondutores por nanofibras, ou seja, substituindo os elétrons por luz (ou fótons), como explicado no início do texto. Isto tornaria os sistemas de transmissão de dados muito mais rápidos e eficientes, com menor aquecimento e gastos energéticos.

De uma forma geral, as fibras ópticas possuem uma enorme gama de aplicações e se tornarão cada vez mais presentes em nosso cotidiano, trazendo benefícios para a sociedade e para o meio ambiente.

Prof. Dr. Marcelo Nalin
Laboratório de Vidros Especiais - LaViE
Instituto de Química – UNESP/Araraquara, SP

Dr. Danilo Manzani
Laboratório de Materiais Fotônicos - LaMF
Instituto de Química – UNESP/Araraquara, SP


Contatos podem ser feitos pelo e-mail mnalin@iq.unesp.br 


Referências:

  • 1 Yablonovitch, E. Phys. Rev. Lett., v. 58, n. 20 (1987) 2060-2062.

  • 2 Knight , J. C. et al. Opt. Lett., v. 21, n. 19, (1996) 1547-1549.

  • 3 Cregan, R. F. et al. Science, v. 285 (1999) 1537-1539.

Outras referências e links interessantes:




Publicado em 05/11/2014


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