Fibras Ópticas (ART4075)

Ao contrário do que muito afirmam, as fibras ópticas não são as infovias, e nem sequer são o elemento sem o qual as infovias não seriam possíveis. A verdade é que as fibras ópticas ocupam um lugar de destaque na transmissão das Informações, mas o sistema todo não se baseia totalmente nelas. A importância das fibras ópticas, como substituto para os condutores metálicos tradicionais na transmissão de sinais, não pode ser desprezada e por isso dedicamos o espaço seguinte para explicar como elas funcionam.

Nota: este artigo é de 1994. Serve como referência histórica.

 

A ideia de se poder curvar um raio de luz ou de "canaliza-lo" de modo a poder ser levado a qualquer parte por muito tempo pareceu ser apenas um sonho.

As leis físicas que afirmam que a luz se propaga em linha reta pareciam ditar uma condição que, por nenhum tipo de artifício, poderia ser contornada.

No entanto, as leis físicas não são obstáculos para se obter o que se deseja em termos tecnológicos, muito pelo contrário, são as ferramentas que nos permitem fazer isso, e o caso das fibras ópticas é um excelente exemplo.

Uma segunda lei, afirma que quando um raio de luz passa de um meio de uma certa densidade para outro meio de densidade diferente, ele sofre uma mudam de direção de propagação, ou seja, “curva-se" conforme mostra a figura 1.

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

Essa lei, chamada Lei de Snell afirma que este "encurvamento" da trajetória do raio de luz está ligado a natureza dos meios, ou seja, de uma propriedade que denominamos “índice de refração", e é constante. O nome se deve ao seu descobridor, Willebrord Snell em 1621.

Assim, no caso da figura 1, o meio (A) tem um índice de refração menor que o meio (B). O raio de luz que vem de cima, curva-se para baixo, de modo que o seno do ângulo de incidência ? seja menor que o seno do ângulo de refração ?.

De uma forma matemática a lei pode ser enunciada como:

sen α seno β = constante :

Onde, alpha e beta são os coeficientes de refração dos meios considerados.

É fácil perceber que, se a fonte de luz estiver no meio (B) e que se ela for se movendo no sentido indicado na figura 2, a medida que ela for se aproximando da superfície de separação desses meios, o raio que emerge no meio (A) vai se tornando cada vez mais "rasante". Chega um momento então, em que esse raio se torna paralelo a essa superfície e que, portanto, ele não pode passar para o meio A.

O ângulo em (B) em que isso ocorre é denominado “ângulo crítico".

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

Qualquer raio que incida nessa superfície de separação entre os dois meios segundo um ângulo que ultrapasse o ângulo crítico ficará aprisionado, pois vai ser refletido pela superfície de separação.

Se considerarmos um cilindro de um material que tenha um índice de refração maior que o do meio exterior (como o ar que é próximo de um), fazendo incidir luz na sua extremidade, conforme mostra a figura 3, temos as seguintes possibilidades:

Os raios de luz que penetrarem neste material segundo a trajetória (A) encontrarão a superfície externa do cilindro que o separa do meio exterior segundo um ângulo menor que o crítico, e por isso escaparão, se perdendo.

No entanto, os raios que penetrarem segundo um ângulo maior que o crítico, (B) serão refletidos sucessivamente pela superfície de separação e podem ser transmitidos a longas distâncias, mesmo que esse cilindro seja curvado. Bastará que a incidência desse raio na superfície de separação se mantenha com um ângulo maior que o crítico.

É claro que essa exigência de que esse ângulo se mantenha dentro de uma faixa de valores impede que esse cilindro possa fazer curvas acentuadas, mas isso não impede sua utilização prática.

No entanto, com esta técnica, utilizando-se um material homogêneo e isotrópico, existem ainda algumas dificuldades a serem vencidas.

Uma delas é a pequena quantidade de luz que ainda "escapa" na superfície de separação entre os dois meios em cada reflexão, conforme mostra a figura 4.

Uma evolução interessante para o processo de transmitir a luz por um material como o indicado, consiste em obter um cilindro que não seja homogêneo.

Se não tivermos uma superfície de separação definida entre dois meios, mas uma transição gradativa, como por exemplo a que ocorre com a atmosfera da terra à medida que se torna menos densa, os raios de luz sofrem um encurvamento, conforme mostra a figura 5.

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

Desta forma, se fabricarmos uma fibra que tenha o cerne com um coeficiente de refração maior, e com coeficientes gradualmente menores para o material envolvente que então formariam capas, o comportamento do raio de luz neste material será muito interessante.

Conforme mostra a figura 6, dependendo do ângulo que o raio de luz penetra neste material, ele pode se propagar segundo uma trajetória sinuosa, sendo sempre desviado de volta para o cerne quando tender a escapar. Técnicas especiais permitem fabricar fibras ópticas com materiais que apresentem estas propriedades. E como as perdas em tais materiais são muito pequenas, isso permite transmitir a luz a grandes distâncias sem atenuação.

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

Desta forma, uma fibra óptica nada mais é do que um "condutor" para a radiação luminosa, incluindo a parte do espectro infravermelho. Essas fibras normalmente tem a constituição mostrada na figura 7.

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

O importante é que tais fibras possuem características de flexibilidade resistência à tração e tensão que nada deixam a dever aos condutores metálicos comuns podendo pois substituí-los em muitas aplicações, menos (ainda) na transmissão de energia em alta potência.

 

TRANSMITINDO SINAIS PELAS FIBRAS ÓPTICAS

Já sabemos como é possível transmitir a luz por meio de um material que, pelas suas propriedades pode fazer curvas e apresentar perdas muito pequenas. Mas, luz não é eletricidade e para nós interessa a transmissão de sinais elétricos.

O fato é que, a luz consiste em ondas eletromagnéticas, da mesma natureza que as ondas de rádio e que por isso pode ser modulada como um sinal de rádio, transmitindo assim a informação desejada. No entanto, as frequências das radiações portadoras usadas em fibras ópticas vão de Hz a Hz o que é muito mais que a faixa de 10e Hz à 10A Hz que corresponde à faixa das ondas eletromagnéticas usadas em telecomunicações. Isso resulta numa largura de faixa pelo menos 1 milhão de vezes maior.

Para usarmos uma fibra óptica da mesma maneira que usamos um cabo de sinal, temos basicamente que proceder da maneira indicada na figura 8, que consiste num link óptico básico.

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

Usamos o sinal (por exemplo um sinal de vídeo, um som, o sinal codificado da saída de um computador) para modular um feixe de luz que então é aplicado à fibra óptica.

Na outra extremidade da fibra usamos um sensor fotoelétrico que possa responder à modulação do sinal, e recuperar com isso o sinal elétrico original.

O sinal elétrico poderá ser usado na outra extremidade, da maneira convencional. Mas, qual a vantagem de tudo isso?

Diversas são as vantagens que podem ser consideradas:

 

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

a) A primeira e que as perdas ao se transmitir um sinal por meio de uma fibra óptica são muito menores do que quando o fazemos por fios comuns.

Numa linha telefônica, por exemplo, a cada determinada distância que o sinal percorre é preciso intercalar um amplificador para “recuperar" esse sinal, conforme mostra a figura 9.

 

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

Com sinais de altas frequências como por exemplo as imagens e mesmo sinais codificados por um computador, o problema é ainda maior.

As perdas são mais importantes e causam problemas como por exemplo a deterioração da imagem no caso do vídeo.

 

b) Imunidade a interferência.

Um cabo de metal funciona como uma antena, e qualquer interferência de natureza elétrica pode ser captada pelo cabo no seu percurso, sobrepondo-se ao sinal.

Numa linha telefônica temos ruídos e sons estranhos. Quem já não ouviu os sons de uma estação de rádio no próprio telefone?

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

São o resultado da captação desses sinais pela própria linha que se comporta como uma antena.

No caso da fibra óptica isso não ocorre.

O sinal que percorre a fibra é a luz e ela, como onda não sofre a interferência de quaisquer radiações eletromagnéticas que atravessem seu caminho.

 

c) Largura de Faixa

Mas, sem dúvida, a vantagem maior está na largura do espectro da luz que pode ser transmitida.

Na verdade, as fibras ópticas não se prestam à transmissão somente da luz visível, mas de um espectro maior que é mostrado na figura 10.

Este espectro é milhões de vezes mais amplo que a faixa de rádio que usamos hoje para transmissão de sinais, desde ondas médias até VHF.

Isso significa que, em teoria, cada fibra pode transmitir milhões de canais de áudio, ou milhares de canais de TV, sem problema de mistura.

É claro que o problema maior, e que ainda apresenta algumas dificuldades técnicas, é o de se fazer a sintonia do canal desejado.

Mas, baseados neste fato, podemos dizer que no futuro, num terminal de fibras ópticas doméstico, podem chegar milhares de canais de áudio e de W, e muitas outras formas de informações que seriam “sintonizadas” com facilidade.

 

d) Segurança

Um ponto importante a ser considerado no uso das fibras ópticas é que o material usado não é condutor elétrico o que de imediato significa a impossibilidade da ocorrência de curtos-circuitos. Da mesma forma, não existe qualquer perigo de uma fibra ficar acidentalmente submetida a potenciais perigosos.

 

e) Resistência

O vidro é 20 vezes mais forte que o aço e além disso é inerte ação de substâncias corrosivas, o que não acontece com os fios metálicos.

 

f) Custo

O vidro é feito de silício que é o material básico de que é feito nosso planeta.

Desta forma, existe uma abundância de sua matéria prima que não ocorre com os metais. Com o desenvolvimento das técnicas de fabricação o custo das fibras vai se reduzindo.

À medida que o tempo passa, o metal tende a ficar mais caro (a nãoser que novas jazidas sejam encontradas) enquanto que as fibras vão se tomando mais baratas.

 

OS PROBLEMAS TÉCNICOS

As fibras são hoje disponíveis com perdas muito pequenas e a capacidade de transmitir sinais numa ampla faixa do espectro visível e infravermelho. Muitas linhas telefônicas convencionais. e interligações de sistemas de computadores já estão sendo substituídas por fibras ópticas, dadas suas evidentes vantagens.

No entanto a substituição não é tão simples. e além dos problemas que já foram vencidos existem muitos outros a serem considerados de modo a se aproveitar todo seu potencial.

Voltando à maneira básica de se transmitir sinais modulando simplesmente um feixe de luz, consideremos uma taxa conforme mostra a figura 11.

Na verdade, não teremos um único feixe propagando-se por esta fibra mas diversos que então se refletem em vários locais e de modos diferentes no percurso a ser coberto.

A trajetória do feixe de luz vai determinar o modo de operação da fibra.

Se esse percurso for pequeno nada de anormal é detectado, mas se ele for longo, a diferença entre os tempos que os diversos raios da mesma fonte levam para percorrer a fibra começa a tornar-se importante, principalmente se a modulação for muito rápida ou seja, se estivermos transmitindo sinais em frequência muito elevada.

Conforme mostra a figura 11 o feixe de luz de um pico de sinal, pode se atrasar e aparecer no intervalo, com uma deformação sensível, ou seja, há um “espalhamento” do sinal que leva a perdas na qualidade da informação a ser transmitida.

Deve ser considerado também que, se a luz usada não for mono- cromática (frequência única) as diversas frequências se comportam de maneira diferente quanto à refração.

Normalmente este comportamento da fibra óptica é especificado em MHz/km

Assim, uma fibra de 100 MHz/km pode transmitir sinais até 100 MHz se seu comprimento for de 1 km, mas só pode trabalhar com sinais até 50 MHz se seu comprimento for de 2 km.

As fibras em que isso ocorre são denominadas “multimodos” pois existem diversos raios transportando a mesma informação.

Mas, por outro lado, é possível a operação mono-modo, em que temos apenas um feixe estreito, e esse espalhamento não ocorre.

Um outro problema a ser considerado é em relação às fontes de luz

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

usadas nas transmissões. Os LEDs são dispositivos que produzem luz numa faixa estreita de frequências, e além disso podem ser modulados por sinais de frequências bastante elevadas.

Por isso são ideais para a transmissão de sinais pelas fibras ópticas. Na figura 12 temos o espectro de LEDs comuns.

Mas para o acoplamento dos LEDs às fibras são necessárias técnicas especiais. Dispositivos para esta finalidade já existem e são usados em grande quantidade nos sistemas de comunicação por fibras ópticas.

Da mesma maneira temos de pensar nos sensores, que convertem os sinais modulados em sinais elétricos.

Os fotodiodos, pela sua velocidade de resposta são os mais usados nas aplicações de altas frequências.

Para frequências mais baixas podem ser usados foto-transistores e até foto-triggers como os mostrados na figura 13.

 

 

Fibras Ópticas
Fibras Ópticas

 

 

Não vai demorar muito para que uma parcela significativa das comunicações que hoje utilizam cabos convencionais passe a empregar fibras ópticas.

Isso significa que o técnico de manutenção o projetista e mesmo o instalador se vejam diante da necessidade de trabalhar com dispositivos um pouco diferentes dos atuais.

A Optoeletrônica deverá então ocupar um lugar de destaque nas telecomunicações do futuro, com uma grande quantidade de circuitos e dispositivos que operem no interfaceamento de fibras com circuito e no processamento de sinais com características diferentes daquelas que o técnico atual está acostumado.

Nossos leitores devem então se preparar para mais este passo na evolução das técnicas eletrônicas, não deixando de se atualizar.

As Infovias vêm aí, e logo os instaladores de antenas instaladores de linhas telefônicas e técnicos de manutenção de equipamentos eletrônicos vão começar a ouvir falar e receber em suas oficinas aparelhos que trabalhem com luz e não mais com os tradicionais sinais de rádio!

 

 

 


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