A possibilidade de se conduzir um raio de luz através de um determinado material, forçando-o a seguir uma trajetória diferente da normal, que seria a linha reta, já é conhecida há muito tempo.
Em 1870 John Tyndall demonstrou aos membros da Royal Society que a luz podia ser curvada ao se propagar através de um jato d'água que jorrava de um reservatório, conforme indica a figura 1.
Mais tarde, J. L. Baird registrou patentes que descrevem a utilização de bastões sólidos de vidro na transmissão de luz, para utilização num primitivo sistema de televisão em cores.
O grande problema, entretanto, é que as técnicas e os materiais usados não possibilitavam a transmissão da luz com bom rendimento.
As perdas eram grandes e não existiam dispositivos eficientes para fazer o acoplamento das fontes de luz.
Somente em 1950 é que as fibras ópticas começaram a interessar os pesquisadores com o aparecimento de aplicações práticas realmente funcionais.
Estas aplicações referiam-se principalmente à iluminação remota ou à transmissão de imagens através de cabos para aplicações médicas (endoscopia).
Mas, foi somente em 1966 que num comunicado dirigido à British Association for the Advancement of Science, os pesquisadores K. C. Kao e G. A. Hockham, ambos da Inglaterra, propuseram o uso de fibras de vidro para a transmissão de luz, em lugar da eletricidade em condutores metálicos com a finalidade de levar à distância mensagens telefônicas.
A obtenção de tais fibras exigiu grandes esforços dos pesquisadores, já que as que existiam até então apresentam propriedades muito pobres para a finalidade desejada.
As perdas eram da ordem de 1 000 dB por quilometro e sua faixa passante era muito estreita, além da fragilidade mecânica que era enorme.
Entretanto, como resultado dos esforços dos pesquisadores, novas fibras com atenuação de apenas 20 dB por quilometro e uma faixa passante de 1 GHz para um comprimento de 1 km se tornaram comuns, com a perspectiva real de substituir os cabos coaxiais.
A utilização de fibras com 100 um de diâmetro envolvidas em nylon resistente, permitiam a construção de fios tão fortes que não poderiam ser arrebentados pelo esforço de uma pessoa.
Hoje existem fibras ópticas com atenuações tão pequenas como 1 dB por quilometro, o que é muito menos que as perdas que ocorrem com um sinal elétrico num fio de cobre comum.
O QUE É A FIBRA ÓPTICA
A ideia básica que permite transmitir a luz (e, portanto, energia) através de um material sólido, conforme vimos, está no aproveitamento da reflexão total que ocorre nas condições de ângulo crítico.
A trajetória não precisa ser obrigatoriamente retilínea, já que a fibra pode ser curvada segundo as mais diversas trajetórias.
Deve ser observado que, enquanto um fio elétrico que conduz um sinal está sujeito à interferências eletromagnéticas externas, e também emite sinais interferentes, o mesmo não ocorre com a luz que se propaga através de uma fibra óptica o que a torna extremamente interessante na transmissão de informações.
Uma fibra óptica consiste então num cilindro de material altamente transparente e flexível, com um índice de refração elevado em relação ao ar, conforme mostra a figura 2.
No entanto, dado o seu formato os raios de luz não fazem uma trajetória de segmentos retilíneos num único plano, como exemplificamos para o caso de duas superfícies planas.
Os raios se propagam segundo uma trajetória formada por pequenos segmentos de reta que, unidos formam uma curva helicoidal, conforme mostra a própria figura 2.
É claro que um simples cilindro de vidro muito fino e de grande comprimento que deva ser usado para a transmissão de luz da forma indicada é algo extremamente frágil.
Além disso, existem outros problemas a serem considerados.
Um deles é que a exigência principal para que ocorra a reflexão total da luz no interior da fibra e que nada escape é que a superfície de separação entre os dois meios (um de alto índice de refração e outro de baixo índice) seja perfeitamente lisa.
O manuseio, imperfeições de fabricação fazem com que ondulações, riscos ou falhas apareçam.
E, nestas falhas, conforme mostra a figura 3, pode ocorrer a fuga de parte da luz que deveria ser totalmente refletida.
Uma simples gota de óleo (cujo índice de refração está bem próximo ao do vidro) sobre uma fibra pode modificar seu comportamento no ponto de reflexão, já que muda o índice de refração de um meio para outro.
Com isso o ângulo de incidência que antes era crítico deixa de ser e a luz pode escapar para o exterior, causando perdas, conforme ilustrado na figura 4.
Em suma, para este tipo de condutor de luz, duas são as principais causas de problemas que dificultam o seu uso na prática:
* Ondulações ou riscos (imperfeições) na fibra
* Contaminação da superfície (óleo, graxa, água, etc.)
No caso específico da graxa, que tem um índice de refração muito próximo do apresentado pelo vidro, sua presença significa simplesmente um prolongamento para a trajetória do raio de luz.
Estes problemas podem ser evitados com uma técnica especial de fabricação das fibras ópticas que consiste na utilização de uma capa óptica de propriedades especiais, entre a parte condutora propriamente dita, e o meio exterior, conforme mostra a figura 5.
Neste tipo de fibra óptica, em torno da região central que é a parte condutora propriamente dita (com elevado índice de refração), no próprio processo de fabricação é desenvolvida uma região externa ou capa de menor índice de refração.
É claro que esse menor índice de refração do material exterior ainda significa um número maior que o índice do ar (1).
Assim, o ângulo crítico passa a ter uma faixa de valores mais estreita o que exige que os raios transmitidos incidam apenas a partir de um determinado cone, mais fechado, conforme mostra a figura 6.
Este cone define o posicionamento das fontes que devem transmitir e receber as radiações transmitidas pelas fibras ópticas deste tipo.
O ângulo entre o eixo da fibra e a superfície que define o cone (α) é denominado "ângulo de admissão" da fibra óptica.
O seno deste ângulo é uma medida da capacidade de coletor radiação que apresenta a fibra óptica, sendo denominado "abertura numérica" da fibra o abreviadamente NA (de Numerical Aperture, em inglês).
Veja então que os raios de luz captados segundo um ângulo maior que o ângulo de admissão não serão transmitidos pela fibra através de reflexões internas totais.
Desta forma, fibras que possuam aberturas numéricas maiores podem colher uma quantidade de luz também maior.
Este fato é importante quando comparamos a espessura de uma fibra com as dimensões de uma fonte de luz que deva ser transmitida.
Uma fibra de maior diâmetro deve ser preferida quando a fonte de luz é extensa.
Para as fibras comuns os diâmetros variam tipicamente entre 30 um e 600 um e as aberturas numéricas entre 0,15 e 0,5.
O fator “perda” é extremamente importante se pretendermos usar as fibras ópticas para a transmissão de sinais à longa distância.
Já vimos que estas perdas são muito menores do que as que ocorrem em fios condutores de metal comuns, o que torna as fibras ópticas bastante atraentes em muitas aplicações.
Evidentemente, a quantidade de luz que chega ao final de uma fibra óptica é menor do que a aplicamos no seu início.
Ocorrem perdas que podem ser devidas a diversos fatores como, por exemplo, imperfeições da própria fibra, a absorção do material que não é perfeitamente transparente além de outras.
As perdas que ocorrem numa fibra seguem uma relação do tipo mostrado na figura 7.
As perdas aumentam na proporção inversa à distância que o sinal percorre na fibra o que resulta numa curva exponencial conforme a mostrada na figura em questão.
Da física, sabemos que as relações deste tipo podem ser muito melhor utilizadas e mais facilmente avaliadas num processo de cálculo se usarmos também uma unidade que tenha uma expressão logarítmica, ou seja, o decibel (dB).
Com a utilização do dB, a mesma curva de perdas se torna linear, conforme mostra a figura 8.
Para as fibras ópticas é então expressarmos as perdas que ocorrem por quilômetros em dB.
Os valores típicos podem ficar entre 1 e 1 000 dB por quilometro.
Outro fator importante a ser analisado é a resposta espectral.
Conforme vimos na introdução, o espectro eletromagnético com que operam as fibras ópticas abrange não só a parte visível entre 3 900 e 7 700 Angstrons como também parte do espectro das radiações infravermelhas entre 7 700 e 12 000 Angstrons, conforme mostrado na figura 9
.
A estrutura atômica do vidro apresenta, entretanto, flutuações que fazem com que ocorrem dispersões de radiação de forma irregular ao longo do espectro. Isso faz com que comprimentos de onda diferentes encontrem níveis de absorção diferentes ao se propagar por uma fibra óptica.
A Lei de Rayleigh para dispersão da luz diz que sua intensidade é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda, o que nos leva a uma curva em que observamos que as atenuações maiores ocorrem justamente para os comprimentos menores (frequências mais altas).
No entanto, a estrutura irregular do material resulta na prática numa distribuição irregular dos níveis de atenuação.
Ver também:
• Ângulo crítico (395)
• Propriedades da Luz (392)
• Angstron (104)
• Prisma (399)
• Lei de Rayleigh (697)
