Fibra Óptica: física, funcionamento e aplicações

Com o crescente desenvolvimento da tecnologia e o aumento na demanda por uma comunicação cada vez mais veloz e de qualidade, constantemente nos deparamos com novos conceitos no que se refere a meios de transporte de informações. Nesse contexto, um dos meios mais utilizados e eficientes na atualidade é a fibra óptica, que performa de maneira muito eficiente em termos de transmissão de sinais, dados, voz e vídeo.

Cabos de fibra óptica são filamentos cilíndricos fabricados em materiais transparentes como vidro ou sílica, com alto grau de pureza, utilizados como meio de propagação da luz. As fibras ópticas geralmente são muito finas, possuindo um diâmetro extremamente pequeno, com espessura semelhante à de um fio de cabelo. Apesar disso, normalmente são bastante extensas, podendo chegar a quilômetros em relação ao comprimento. Esses filamentos são formados de duas partes com índices de refração diferentes, chamadas casca e núcleo. O núcleo possui o índice de refração maior, e é revestido por camadas plásticas transparentes que compõem a casca, com um índice de refração menor. A partir desta diferença de meios físicos é possível provocar o fenômeno de reflexão total interna da luz.

Para isso, uma fonte de luz é aplicada na extremidade inicial emitindo raios para o interior do núcleo da fibra óptica em um ângulo mínimo de incidência denominado ângulo limite. Quando a luz incide sobre uma superfície de separação entre dois meios, uma parte dela sofre refração e a outra, reflexão. No entanto, ao atingir o ângulo limite, ocorre que a luz não sofre mais refração, mas sim reflexão total. Desta forma, o ângulo permite que a luz seja refletida repetidamente no interior da fibra, de maneira que as paredes do núcleo se comportam como um túnel espelhado, não permitindo que ela se perca e escape do seu interior.

Figura 1: representação dos dois meios físicos que compõem uma fibra óptica e do fenômeno de reflexão total interna da luz, simbolizada através do percurso em vermelho

Existem basicamente dois tipos de fibra óptica: monomodo e a multimodo. A fibra monomodo possui a casca de reflexão mais espessa e núcleo mais estreito, chegando a um alcance máximo de quatro quilômetros se possuir um cabeamento estruturado. Por ser tão fino, a luz é refletida de forma direta e linear, o que permite uma maior qualidade de sinal, menor interferência nos dados transmitidos e uma maior distância percorrida pela luz, sendo indicada para longas distâncias. É usada em redes externas de transmissão e distribuição, e em redes internas. Para além das vantagens, os principais pontos negativos são a maior dificuldade em alinhar as fibras em caso de emendas e o investimento mais caro que a do segundo tipo.

A fibra multimodo, possui um núcleo bastante maior em comparação ao do primeiro tipo, apesar de possuir o mesmo diâmetro final. Consequentemente, a luz tem mais espaço para passar pela fibra, fazendo com que ela siga o percurso de modo menos linear. Devido a esta característica, ela é refletida em várias direções, o que interfere no alcance de distâncias mais longas e mantém a qualidade. Os principais benefícios da fibra multimodo se resumem ao fato delas serem mais baratas que as monomodos, mais fáceis de trabalhar com emendas e mais baratas. Como pontos negativos temos que a distância máxima de cabeamento estruturado que elas podem chegar é de dois quilômetros e que as taxas de transmissão também são mais baixas, embora essa defasagem seja muito pequena.

Como principais aplicações da fibra óptica, temos a transmissão de dados de internet, telefone, televisão, redes, rádio, etc. Para isso, é preciso utilizar equipamentos especiais que contenham um foto emissor, ou seja, um aparelho que possa transformar sinais elétricos em pulsos de luz. Assim, os pulsos de luz passam a representar valores digitais binários correspondentes aos dados. Da mesma forma, é possível obter imagens de lugares de difícil acesso, uma vez que a luz pode ser refletida em seu interior por grandes distâncias. Ademais, por meio das fibras ópticas, é possível construir uma grande variedade de sensores capazes de variações sensíveis de temperatura, pequenas deformações em sólidos, frequências de luz, polarização da luz.

Com elas também se resolve o problema referente ao excesso de repetidores dos cabos submarinos. Uma vez que eram utilizados cabos coaxiais no fundo dos oceanos, um repetidor tinha de ser usado a cada cinco ou dez quilômetros. Já no caso da fibra óptica, essa distância pode ser próxima a cem quilômetros. Por fim, a área médica é uma das mais beneficiadas com os avanços tecnológicos. Nesse sentido, a fibra óptica encontra uma vasta gama de aplicações, como procedimentos cirúrgicos e diagnósticos de enfermidades. É válido salientar que os cabos ópticos são imunes à interferência de raios X, que são comuns em instalações hospitalares.

Uma série de vantagens estão associadas ao uso de fibras ópticas, destacando-se a capacidade para transportar grandes quantidades de informação, alta velocidade de transmissão de dados, possuir dimensões reduzidas, imunidade às interferências eletromagnéticas, matéria-prima muito abundante, segurança no sinal, facilidade na instalação e menos deterioração com o tempo comparando com os fios de cobre. Quanto às desvantagens, nota-se o custo elevado, fragilidade das fibras ópticas sem encapsulamento, dificuldade para ramificações devido à perda elevada de dados, impossibilidade de alimentação remota dos repetidores e a falta de padronização dos componentes ópticos.

Referências:

[1] FONTES, Peterson. “Fibra Óptica: tudo que você precisa saber!”. Cianet, 31 mar. 2021. Disponível em https://www.cianet.com.br/blog/infraestrutura-e-tecnologia/fibra-optica/. Acesso em 29 de Junho de 2021.

[2] “O que são fibras Ópticas?” Pier Telecom, 18 mar. 2020. Disponível em https://www.youtube.com/watch?v=YtNjEkEBYec. Acesso em 29 de Junho de 2021.

[3] MATA, Amanda. “O que é Fibra Óptica e como funciona?” Oficina da Net, 16 mai. 2011. Disponível em https://www.oficinadanet.com.br/artigo/redes/o-que-e-fibra-otica-e-como-funciona. Acesso em 29 de Junho de 2021.

[4] “Como é Feito a Fibra Óptica”. PortaldoHWWebTV. Disponível em https://www.youtube.com/watch?v=CH1KTWXqcSE&t=318s. Acesso em 29 de Junho de 2021.

[5] TEIXEIRA, Mariane. “Reflexão total da luz”. Mundo Educação. Disponível em https://mundoeducacao.uol.com.br/fisica/reflexao-total-luz.htm. Acesso em 29 de Junho de 2021.

[6] “Tipos de fibra óptica: entenda as características de cada uma”. Plugmais Distribuidora. Disponível em https://blog.plugmais.com.br/tipos-de-fibra-optica-entenda-as-caracteristicas-de-cada-uma/. Acesso em 29 de Junho de 2021.