A REVOLUÇÃO NO TRANSPORTE DAS INFORMAÇÕES
Comunicações! Vivemos numa era em que cada vez maior quantidade de dados e mais rapidamente devem ser transportados de um ponto a outro do planeta. A velha linha telefônica de fios metálicos, diante da evolução dos meios de comunicações modernos e de geração de informações como a Internet está completamente superada. A linha física de metal que ainda deve interligar a maioria dos lares do mundo deve ir gradualmente sendo substituída pelas linhas de fibras ópticas. Os sinais elétricos vão se tornar ópticos dando origem a uma nova ciência que é a fotônica. Com o início desta substituição já em nossos dias, os técnicos em telecomunicações e informática devem estar preparados para dominar mais um ramo da ciência se quiserem ter êxito em suas atividades. Neste artigo vamos justamente levar nossos leitores aos fundamentos desta nova ciência, a fotônica, tratando justamente do que vai revolucionar o mundo das comunicações dos próximos anos: as fibras ópticas.
Se bem que em edições anteriores já tenhamos falado das fibras ópticas como uma novidade que era promissora na época, com o passar do tempo, não só nossas previsões se concretizaram, como até superaram nossas expectativas. De fato, a importância das fibras ópticas nas comunicações cresceu exponencialmente e hoje a transmissão de dados por meios ópticos tende a se tornar muito comum e, além disso: uma nova ciência, tão importante como a própria eletrônica.
A transmissão de dados usando luz ou fótons (que são as partículas elementares de luz ou de ondas eletromagnéticas de curtíssimo comprimento de onda) está sendo denominada fotônica, e o uso de fibras ópticas para sua realização, substituindo os fios telefônicos comuns e outros meios físicos deve ocupar os especialistas nos próximos anos.
O leitor que pretende estar "por dentro" de todas as técnicas que envolvam transmissão de dados, gerados ainda em circuitos eletrônicos, usando este novo meio deve conhecer o elemento fundamental em que elas se apóiam que são as fibras ópticas.
Neste artigo veremos o que são as fibras ópticas, como funcionam e como podem ser usadas na transmissão de dados, substituindo as velhas linhas telefônicas lentas e frágeis.
FIBRAS ÓPTICAS & FIOS METÁLICOS
As linhas telefônicas foram projetadas originalmente para transportar a voz. Na época, não se pensava em Internet ou na transmissão de qualquer outra forma de sinal por uma linha de telefone que não fossem sons produzidos por humanos.
Como os estudos mostraram que bastava transmitir as frequências entre 300 e 3 000 Hz para que tudo que se falasse pudesse ser entendido do outro lado da linha, por que transmitir outras frequências?
Assim todo equipamento instalado, como amplificadores, linhas, transformadores, não previram a utilização de frequências maiores.
Ora, isso significa que as linhas são lentas e informações que ocorram muito rapidamente, numa frequência mais alta, encontram enormes dificuldades em passar pelas linhas telefônicas.
Com o advento do Fax e dos modems para acessar a Internet, verdadeiros malabarismos foram feitos pelos técnicos para se obter maior velocidade de transmissão de dados pela linha comum e hoje, com artifícios interessantes que já abordamos em outros artigos, consegue-se chegar aos 33 600 bps ou mesmo 56 000 bps usando uma linha comum, mas estes valores estão muito próximos dos limites teóricos.
Ora, estas velocidades são muito baixas em relação tanto a geração de dados por um computador como ao próprio tamanho de arquivos que devem ser transferidos, por exemplo através da Internet.
Uma solução importante para isso consiste em se substituir o sinal elétrico que viaja pela linha telefônica por sinais luminosos, ou seja, fótons de luz comum.
A luz tem enormes vantagens em relação aos sinais elétricos quando usada para esta finalidade.
Além de poder ser modulada por frequências muitíssimo mais altas que os 300 a 3 000 Hz da linha telefônica comum, chegando a centenas de milhões de hertz, ela é imune a ruídos. Um fio de metal funciona como uma antena e capta diversos tipos de ruídos ao longo de seu percurso e é sensível à interferências e descargas elétricas. Isso não acontece com um meio que possa transmitir a luz.
Mas, qual seria esse meio?
Fios conduzem eletricidade mas não a luz. Para conduzir a luz é preciso um meio que não só tenha a transparência apropriada como algo mais que é muito difícil de imaginar inicialmente: seja capaz de conduzir a luz em trajetórias curvas!
Esse meio existe e é dele que depende essa nova tecnologia e de que vamos falar a seguir: as fibras ópticas.
Para entender como elas podem "escapar" da lei da natureza que diz que a luz se propaga em linha reta, começamos por estudar a natureza da luz.
A NATUREZA DA LUZ
Uma carga elétrica em movimento oscilatório ou mesmo deslocando-se de um ponto a outro (como a mudança de nível de energia de um elétron num átomo) produz ondas eletromagnéticas. Estas ondas podem se propagar no vácuo a uma velocidade de 300 000 km/s e também através de determinados meios materiais, se bem que com velocidade menor.
Colocando num gráfico todas as frequências em que podem ser produzidas estas ondas, teremos o que denominamos "espectro eletromagnético", ilustrado na figura 2.
Conforme podemos ver, as frequências mais baixas correspondem às ondas de rádio, até a faixa de microondas. Depois entramos na faixa das radiações infravermelhas. Estas radiações são emitidas por corpos aquecidos principalmente, já que, com a agitação das partículas de um corpo que esteja acima do zero absoluto de temperatura ocorre a emissão de radiações eletromagnéticas concentradas em sua maior parte nesta faixa.
Vem depois a faixa das radiações cujos comprimentos de onda se situam entre 390 nm e 770 nm o que equivale a 3 900 à 7 700 Angstroms, lembrando que 1 nm (1 nanômetro equivale a 10-9 metros e 1 Angstrom equivale a 10-10 metros).
Esta faixa é importante porque temos em nosso corpo receptores capazes de percebê-la e até distinguir sua frequência: nossos olhos.
Esta é a faixa das radiações que correspondem à luz visível onde a cor é dada pela sua frequência. A menor frequência que podemos ver corresponde à cor vermelha. À medida que a frequência aumenta, a sensação de cor muda, passando para o laranja, amarelo, verde, azul até atingir o violeta que tem a maior frequência que podemos perceber.
Acima e abaixo dos extremos desta faixa não conseguimos ver as radiações eletromagnéticas emitidas ou refletidas por um corpo. Mas, da mesma forma que abaixo desta faixa existem as radiações infravermelhas que alguns animais podem perceber, acima temos formas importantes de radiação eletromagnética que são produzidas por corpos em determinadas condições de excitação.
Temos em primeiro lugar as radiações ultravioleta, vindo depois os raios X, raios gama e finalmente os raios cósmicos cujas frequências se estendem teoricamente até o infinito.
Para efeito de estudos e aplicações das fibras ópticas, o espectro utilizado e que será considerado como "óptico" não corresponde exatamente ao espectro que podemos ver, ou seja, o "espectro visível".
Isso ocorre porque o comportamento das radiações infravermelhas, de frequências próximas do limite inferior da faixa visível, entre 12 000 e 7 700 Angstroms, pode ser considerado bastante semelhante ao das radiações do espectro visível.
Desta forma, as fibras ópticas podem trabalhar tanto com a radiação do espectro visível como também com parte do espectro infravermelho, havendo inclusive dispositivos que geram e recebem esta faixa do espectro com muita eficiência.
REFLEXÃO, REFRAÇÃO E ÂNGULO CRÍTICO
Se um raio de luz incide perpendicularmente a uma superfície que separa dois meios transparentes de naturezas diferentes (ar e vidro, por exemplo), ocorre uma mudança de sua velocidade de propagação. A direção e o sentido de propagação se mantém, conforme mostra a figura 3.
No entanto, se o ângulo de incidência for diferente de 90 graus em relação ao plano que separa os meios, além da mudança de velocidade também teremos uma mudança de direção, conforme mostra a figura 4.
A relação entre o seno do ângulo que o raio incidente faz com a normal ao plano de separação dos meios e o seno do ângulo que o raio emergente faz (denominado refratado), é um número constante que depende exclusivamente da natureza dos dois meios. Este valor constante é denominado "índice de refração".
Assim, para o caso dos meios ar-água o índice de refração é 1,33 enquanto que para o caso ar-vidro comum é 1,52. Para os meios ar-quartzo, este valor é 1,46.
É importante observar que estes índices são normalmente especificados para uma determinada frequência de luz (ou cor), já que ocorrem variações em sua função. São estas variações justamente que fazem com que a luz branca (que é a mistura de todas as cores) se decomponha ao passar por um prisma conforme vimos na 2.
Vamos supor agora uma experiência interessante que envolve a refração: consideremos dois meios de naturezas diferentes, como por exemplo ar e vidro, conforme mostra a figura 5.
Inclina-se cada vez mais, a partir da normal, um raio de luz que seja emitido por uma fonte pontual que esteja dentro do vidro (um LED "implantado, por exemplo).
Esta posição é importante, dado que o seno do ângulo do lado do ar (que é menos denso) é maior do que o do lado do vidro (que é mais denso) - lembramos que as velocidades de propagação também mudam, já que, enquanto no vácuo e no ar este valor é de aproximadamente 300 000 km por segundo, no ar esse valor cai bastante.
À medida que o ângulo de incidência (no vidro) vai aumentando, o ângulo de refração (no ar) vai também aumentando, mas numa proporção mais rápida, pois seu seno é maior e deve manter a relação constante dada pela natureza dos meios.
Ocorre então um instante em que o ângulo de incidência ainda não chegou aos 90 graus mas o de refração sim (raio d da figura 5, por exemplo) o que significa que a luz não mais "consegue escapar" do vidro, sendo refletida de volta para seu interior. Este é o denominado "ângulo crítico", conforme ostra a figura 6.
Qualquer raio de luz que incida a partir do vidro, segundo ângulo igual ou maior que este ângulo crítico, não consegue mais passar para o "outro lado" (o ar). Estes raios serão refletidos de volta, conforme mostra a figura 7.
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Você pode perceber isso se conseguir um aquário com a superfície de água bem calma. Olhando diretamente por baixo, você vê do outro lado (fora do aquário), mas se olhar segundo um ângulo maior que o crítico, a superfície da água vai se comportar como um "espelho"e você vai ver de volta o fundo do aquário, conforme mostra a figura 8.
Veja então que se o meio em que isso ocorre, no caso o vidro, tiver paredes ou superfícies de separação paralelas, um raio de luz que parta de um determinado ponto interno e incida numa das "paredes" segundo ângulo maior que o crítico, vai se refletir indefinidamente nas paredes, sendo conduzido pelo material até onde quisermos. Sendo as paredes paralelas, o ângulo de reflexão numa delas será igual ao ângulo de incidência na outra e assim sucessivamente.
Mesmo que o meio de paredes paralelas (não necessariamente planas) faça uma série de curvas (não muito fechadas a ponto de modificar muito o ângulo de incidência, fazendo-o cair abaixo do ponto crítico) ela pode acompanhá-lo, conforme mostra a figura 9.
HISTÓRIA
A possibilidade de se conduzir um raio de luz através de um determinado meio, forçando-o a apresentar uma trajetória não reta, já é conhecida há muito tempo. Em 1870 John Tyndall demonstrou aos membros da Royal Society que uma luz podia ser curvada ao se propagar por um jato de água que se curvava ao sair de um reservatório, conforme mostra a figura 10.
Mais tarde J. L. Baird registrou patentes que descreviam 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 permitiam a transmissão da luz com bom rendimento. As perdas eram grandes e não existiam dispositivos de acoplamento óptico.
Foi somente a partir de 1950 que as fibras ópticas começaram a despertar o interesse dos pesquisadores. Aplicações como iluminação remota ou transmissão de imagens a partir de cabos flexíveis para aplicações médias (endoscopia) começavam a aparecer.
Mas, foi somente em 1966 que, num comunicado dirigido à Britsh Association for the Advancement of Science, que os pesquisadores K. C. Kao e G. A. Hockham (da Inglaterra) propuseram o uso de fibras e luz em lugar de condutores metálicos e eletricidade na transmissão de mensagens telefônicas.
A obtenção de tais fibras exigiu grandes esforços dos pesquisadores, já que as fibras até então existentes apresentavam perdas formidáveis, da ordem de 1 000 dB por quilometro, além de uma faixa passante estreita e uma enorme fragilidade mecânica.
Entretanto, como resultado dos esforços, novas fibras com atenuação de apenas 20 dB por quilometro e uma faixa passante de 1 GHz para um comprimento de 1 km tornaram-se comuns com a perspectiva 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 podiam ser rompidos pelas mãos.
Hoje já existem fibras ópticas com atenuações tão pequenas (menores que 1 dB por quilometro), representando perdas menores do que as que ocorrem nos fios metálicos comuns.
O QUE É A FIBRA ÓPTICA
A idéia básica em que se apóiam as fibras ópticas é a transmissão da luz (e portanto energia) aproveitando a reflexão total que ocorre nas condições de ângulo crítico e com isso levá-la as trajetórias desejadas sem perdas (ou com um mínimo de perdas).
Devemos observar que, enquanto um fio elétrico que conduz um sinal está sujeito a interferências eletromagnéticas externas, e também emite sinais interferentes, isso não ocorre com as fibras ópticas.
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 11.
No entanto, dado seu formato (e em alguns casos uniformidade de composição) os raios de luz não fazem uma trajetória de segmentos retilíneos num único plano, como no caso de duas superfícies planas paralelas. Os raios se propagam segundo uma trajetória formada por pequenos segmentos de reta que unidos formam uma curva em hélice, como mostrado na própria figura 11.
É claro que um simples cilindro de vidro muito fino e de grande comprimento que deva ser usado para conduzir luz da forma indicada é algo extremamente frágil.
Além disso, temos de considerar outros problemas. 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 (vidro) e o outro de baixo índice (ar), seja perfeita.
O manuseio, imperfeições de fabricação, entretanto fazem com que ondulações, riscos ou falhas apareçam, conforme mostra a figura 12.
E, nestas falhas pode ocorrer o escape de parte da luz que deveria ser totalmente refletida. Isso é mostrado na figura 13 em que uma simples gota de óleo afeta o funcionamento da fibra. essa gota muda o índice de refração e permite que o ângulo crítico se altere com o que o raio de luz escapa para o exterior.
Problemas como este podem ser evitados co uma técnica especial de fabricação que consiste na utilização de uma capa óptica de proteção. Conforme mostra a figura 14 ela consiste numa camada de vidro ou material de índice de refração mais baixo que o da parte condutora.
É claro que este índice menor de refração da capa protetora ainda significa um índice maior do que o do ar. Desta forma, o ângulo crítico para o meio condutor interno é alterado, gerando um cone de entrada de sinais mais limitado conforme mostra a figura 15.
O ângulo entre o eixo da fibra e a superfície que define o cone (teta) é denominado "ângulo de admissão da fibra óptica. O seno deste ângulo é uma medida da capacidade de coletar radiação que apresenta a fibra óptica e é denominado "abertura numérica" da fibra, ou abreviadamente NA (de Numerical Aperture, em inglês).
Este valor é especialmente importante quando trabalhamos com fontes extensas de luz. Para as fibras comuns os diâmetros variam tipicamente entre 10 um e 600 um e as aberturas numéricas entre 0,1 e 0,5.
PERDAS
Este fator é de enorme importância nas considerações sobre a transmissão de sinais a longas distâncias por meio de fibras ópticas. Já vimos que estas perdas são muito menores do que as que ocorrem em fios condutores de metal comum, o que as torna muito atraentes nestas aplicações, pois não se necessitam de tantos amplificadores intermediários.
Evidentemente, a quantidade de luz que chega ao final de uma fibra óptica é sempre menor do que a que aplicamos no seu início. Ocorrem então perdas que podem ser devidas a diversos fatores como as imperfeições do material, absorção do material, etc.
As perdas que ocorrem numa fibra seguem uma relação exponencial do tipo mostrado na figura 16.
Este tipo de relação normalmente é mais facilmente avaliada se for expressa na forma logarítmica. Assim, usamos também o decibel (dB) para expressar as perdas que ocorrem numa fibra óptica e a curva de perdas torna-se linear conforme mostra a figura 17.
Para as fibras ópticas comuns é comum a expressão das perdas em dB por quilometro, ficando os valores típicos na faixa de 1 a 1 000 dB/km.
RESPOSTA ESPECTRAL
Conforme vimos na introdução, o espectro eletromagnético com que operam as fibras ópticas inclui não somente a parte visível entre 3 900 e 7 700 Angstroms como também parte do espectro das radiações infravermelhas entre 7 700 e 12 000 angstroms.
A estrutura atômica do vidro entretanto, apresenta flutuações que fazem com que ocorram dispersões da radiação de forma irregular. Isso faz com que comprimentos de onda diferentes tenham níveis de absorção diferentes ao longo de uma fibra óptica comum.
A Lei de Rayleiggh para dispersão diz que a 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 para os comprimentos de onda menores.
No entanto, a estrutura irregular do material resulta também numa distribuição irregular dos picos de absorção, conforme mostra a figura 18.
Nesta figura temos a resposta espectral típica de uma fibra óptica de vidro observando-se que existem frequências em que ocorrem fortes absorções e que devem ser observadas na sua utilização principalmente com fontes monocromáticas.
Veja que na curva mostrada existe justamente um pico indesejável de absorção justamente nas frequências de emissão dos LEDs infravermelhos que operam em torno dos 9 500 angstroms. Essa absorção se deve à presença de íons do tipo hidroxil, sendo por isso denominada de "pico de absorção pela água".
Já para a frequência de emissão dos LEDs infravermelhos de 8 500 angstroms, temos justamente o ponto de menor absorção da curva o que leva estes componentes a serem amplamente usados como fontes ideais para muitos projetos que envolvam estas fibras.
CONCLUSÃO
O que vimos é apenas uma introdução ao princípio de funcionamento das fibras, mostrando de que modo a luz pode ser "conduzida" por meio de fios.
Mais informações importantes para o leitor como, por exemplo, os processos de fabricação e os tipos de modulações e fontes de sinais que podem ser usados serão vistos em outros artigos neste site.
