Introdução as Fibras Ópticas

Introdução ao Conceito de Fibras Ópticas

Uma tecnologia nova e revolucionária - a comunicação por meio de ondas luminosas - está transformando as redes de comunicações do mundo. Quantidades enormes de informação - sinais de telefonia, vídeo, dados digitais - podem ser rápida e eficientemente transmitidas de um lugar para outro através de uma rede de fibras ópticas. Esses condutores de vidro, da espessura de um fio de cabelo, conduzem informações, através de longas distâncias, na forma de pulsos de luz. Por que a comunicação através da luz é tão importante, e como essas fibras ópticas ("guias de luz") funcionam? Vamos examinar, resumidamente, a resposta a essas perguntas.

Um sistema básico de comunicações é constituído de um transmissor (fonte do sinal), onde a informação é codificada, um meio de transmissão (portador do sinal), e um receptor (detector do sinal), que decodifica ou reconstitui a informação original. A maioria dos sistemas de comunicação modernos é "digital", por causa da excelente qualidade de transmissão que pode ser conseguida. Num sistema de comunicação digital simples, a informação é codificada em dígitos binários, formados de zeros e uns.

Por que um sistema de comunicação por meio de ondas luminosas pode transmitir muito mais informações digitais do que um sistema convencional de comunicações? Porque a taxa de transmissão de informação é diretamente proporcional à freqüência do sinal. A luz tem uma freqüência na faixa de 10¹⁴ - 10¹⁵ Hz, enquanto as freqüências de rádio são aproximadamente de 10⁶ Hz e as de microondas estão na faixa de 10⁸ - 10¹⁰ Hz. Por isso, um sistema de transmissão que opera na freqüência da luz pode, teoricamente, transmitir informação numa taxa mais alta que os sistemas que operam nas freqüências de rádio ou microondas. A taxa de transmissão digital é definida como o número de bits transmitidos a cada segundo.

Fig.1: Sistema de telecomunicações por meio de ondas luminosas. Toda informação é codificada em dígitos binários de zeros e uns, misturados num multiplexador. O sinal do multiplexador é utilizado para ligar e desligar, a uma determinada taxa de transmissão, um laser ou um diodo emissor de luz (LED). A luz gerada dessa maneira (representada por hf) é transmitida por uma fibra óptica, onde o sinal de saída sensibiliza um fotodetector. O sinal elétrico gerado pelo fotodetector é introduzido num demultiplexador, que recupera os vários sinais, encaminhado-os ao destino final.

Um sistema simples de telecomunicações que usa ondas luminosas é mostrado na fig.1. A informação transmitida pode ser sinais de telefonia, sinais de vídeo ou dados digitais de um computador. Os sinais de telefonia e de vídeo são codificados numa seqüência binária de zeros e uns. Todos esses sinais são misturados, numa unidade multiplexadora, num único pacote de dados elevada. Vamos considerar apenas a mistura ou multiplexação de sinais de telefonia para transmissão. Cada sinal de telefonia necessita de 6,4 x 10⁴ bits/s. Se a taxa de dados do sistema é 1 Gbit/s (1 x 10⁹ bits/s), o número de canais de telefonia que podem ser multiplexados é, aproximadamente, 15000 (1 x 10⁹ dividido por 6,4 x 10⁴)! Como isso é feito, de fato? No transmissor de ondas luminosas, cada "um" corresponde a um pulso elétrico, e cada "zero" à ausência de pulso. Esses pulsos elétricos são usados para ligar e desligar, muito rapidamente, uma fonte de luz, como um interruptor. A fonte de luz pode ser um laser ou um diodo emissor de luz (LED). Então, no transmissor de um sistema de comunicação por ondas luminosas, a informação é misturada numa taxa muito elevada de seqüência de pulsos elétricos, que são usados para ligar e desligar rapidamente a fonte de luz; toda a informação codificada em dígitos binários transforma-se, assim, numa seqüência regulada de flashes e luz, para transmissão.

A parte seguinte e importante de um sistema de comunicação por ondas luminosas é o meio de transmissão. Embora, em princípio, esses flashes de luz pudessem ser transmitidos através da atmosfera, como os sinais de rádio, seria muito difícil construir um sistema de telecomunicações para pôr isso em prática. Em vez disso, fibras de vidro "guias de luz" a conduzem do transmissor ao receptor, onde cada pulso de luz é detectado por um fotodetector. Quando um pulso de luz chega no fotodetector, um pulso de corrente é produzido. Dessa maneira, os pulsos óticos são convertidos em pulsos elétricos, novamente. O receptor também tem um "demultiplexador", que separa os sinais, convertendo-os, outra vez, em sinais de telefonia, vídeo e dados de computador.

Embora essa seja apenas uma descrição muito elementar de como opera um sistema de comunicação por meio de ondas luminosas, ela mostra o aspecto básico: a informação é convertida em pulsos de luz, que são transmitidos à distância, através de uma fibra óptica, e de novo convertidos em informação.

Agora podemos examinar mais detalhadamente como uma fibra óptica é usada para transmitir informação sob a forma de pulsos de luz. A primeira propriedade importante de uma fibra é que ela é capaz de guiar luz de um lugar para o outro. O princípio básico da fibra óptica é a "reflexão interna total", mostrada na estrutura de um guia de luz, na fig.2.


Fig.2: Estrutura simplificada de um guia de luz, como meio de transmissão óptica. Os índices de refração do núcleo e da blindagem estão representados por n_núcleo e n_bli , respectivamente.

A estrutura de uma de uma fibra é composta de um núcleo central, formado por um material com índice de refração mais alto que o do material que o envolve, chamado de "blindagem". Recordando, o índice de refração é a razão entre a velocidade no meio considerado. Uma fibra feita de vidro em geral também possui um revestimento plástico por fora, para proteger o vidro contra o desgaste mecânico e outros efeitos ambientais. Uma fonte de luz, como um laser ou um LED, é colocada próxima ao núcleo da fibra. A fonte de luz emite um "cone" de luz, que é acoplado ao núcleo da fibra. Para essa luz ser guiada, ela deve encontrar as condições necessárias para a reflexão interna total. Como mostra a figura, alguns ângulos da luz são guiados em "zigue-zague" na fibra, enquanto com outros isso não ocorre.

Embora esse tipo de fibra simples seja muito usado para guiar a luz a curtas distâncias (metros), para fazê-los a longas distâncias, como acontece nos sistemas de telecomunicações, é necessárias uma estrutura de fibra mais especializada.

Fig.3.

A fibra simples, mostrada na figura 3, é chamada de fibra "multimodo" ; muitos ângulos da luz são guiados, e dizemos que o índice de refração da fibra é do tipo degrau porque o núcleo tem índice de refração mostrado traduz o valor relativo, em função da posição, através da seção transversal da fibra. um pulso de luz de luz proveniente da fonte é acoplado ao interior da fibra. Vários feixes que se propaga pelo centro percorre uma distância menor do que aqueles que fazem zigue-zague. Como conseqüência, pulso 'estreito" de luz que foi inicialmente alargado, após percorrer muitos quilômetros através da fibra. Esse efeito é que condiciona o espaçamento entre os pulsos na entrada, para que possam ser detectados sem sobreposição na saída.

Dois tipos de fibras são usados em sistemas em sistemas de comunicações por ondas luminosas para superar os limites impostos pelo efeito alargamento dos pulsos. Um desses tipos (mostrado na parte central da figura 3) é chamado de fibra de índice gradual multimodo. Observe que o núcleo da fibra tem um índice de refração que varia gradualmente. Esse tipo de perfil faz com que a luz guiada seja suavemente curvada, de forma periódica, enquanto se propaga na fibra. Um feixe que percorre esse caminho periódico passa a maior parte do tempo na porção de índice de refração mais baixo, logo, ele se propaga com maior velocidade! Assim, quanto maior for a distância a ser percorrida pelo feixe, maior deve ser a velocidade média com esse feixe deve percorrer a fibra. O outro tipo de fibra (representado embaixo, na figura 3) elimina completamente o alargamento do pulso devido aos diferentes ângulos da luz que está sendo guiada. Esse tipo de fibra denomina-se fibra monomodo, porque o feixe de luz se propaga ao longo do eixo da fibra. Isso é conseguido usando-se pequenas diferenças entre os índices de refração do núcleo e da blindagem (também conhecido como casca), bem como núcleos muito pequenos. Esse tipo de fibra óptica pode conduzir os dados com uma taxa de bits muito mais elevada.

A minimização do alargamento do pulso de luz na fibra, enquanto ele se propaga, e de fundamental importância na determinação da taxa máxima de transmissão da informação, bem como da distância alcançada pela transmissão.

Uma segunda propriedade importante da fibra é sua atenuação óptica, já que esta também determina até onde o sinal pode ser transmitido com intensidade suficiente para ser detectado. Quando a luz se propaga através de um material, ela não é conduzida perfeitamente, e a intensidade do sinal diminui com a distância. A intensidade da luz que se propaga numa fibra óptica é diminuída por absorção e espalhamento. De maneira simples, a absorção é a transferência, para o material, de parte da intensidade da luz que é difundida ou defletida em várias direções. Portanto, uma parte da luz se espalha para fora do núcleo, em vez de ser transmitida, causando uma diminuição da intensidade do sinal transmitido. Em fibras de vidro feita com sílica de alta pureza e baixo espalhamento, a absorção e o espalhamento ficam bastante diminuídos para comprimentos de onda próximos do infravermelho. Esses comprimentos de onda são ligeiramente maiores do que os comprimentos de onda do espectro visível. Relembre que o espectro visível abrange os comprimentos de onda desde 380 nm (violeta) até 700nm (vermelho). para transmissão, o comprimento de onda mais comumente usado é 1300nm (aproximadamente 2 x 10¹⁴ Hz). Em fibras de sílica, mais de 95% da luz são transmitidos através de uma distância de 1km. Esse alto índice de transparência permite a transmissão da luz através de distâncias de 20 a 200km, com intensidade suficiente para ser detectada pelo fotodetector no receptor.

Sistemas de telecomunicações por meio de ondas luminosas utilizando fibras ópticas literalmente atravessam o mundo, indo das redes que cruzam todo os Estados Unidos até os cabos submarinos, na Atlântico e no Pacífico. Os sistemas operam a taxa de 2,5 Gbits/s (2,5 x 10⁹ bit/s), correspondendo a 35000 canais telefônicos sendo transmitidos por uma fibra de diâmetro igual ou inferior ao de um fio de cabelo. Embora esse número seja impressionante, ele ainda está muito longe da capacidade teórica. Nos próximos anos, esses sistemas de comunicações por meio de ondas luminosas baseados em fibras ópticas deverão ser grandemente utilizados para transportar sinais de telefonia, de vídeo e dados de computador por todas as partes do mundo.

Texto extraído do livro Fundamentos de Física 4 - Óptica e Moderna - Halliday - Renisck - Walker - 4º Edição - LTC