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.
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Figura 1 - Desenho esquemático do corte transversal de uma fibra óptica convencional do tipo núcelo-casa
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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.
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Figura 2 - Experimento de John Tyn-dall demonstrando o guiamento da luz através de um jato d'água
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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:
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Figura 3 - Fotografia de Charles K. Kao em seu laboratório
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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);
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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;
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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;
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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;
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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.
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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.
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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
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– O Número Mágico: O número 1089 é conhecido como número mágico. Veja
por que: Escolha qualquer número de três algarismos diferentes. Por
exemplo, 875. Agora escreva este número de trás para frente e subtraia o
menor do maior, assim: 875 de trás para frente é 578. Subtraindo o
menor (578) do maior (875), temos: 875 – 578 = 297. Agora some este
resultado com o seu inverso, assim: 297 + 792 = 1089 - O NÚMERO MÁGICO!
Faça a experiência com qualquer número de três algarismos diferentes e
verá que o resultado será sempre 1089.
