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Curiosidades

Fibra ótica é um filamento flexível e transparente fabricado a partir de vidro ou plástico extrudido e que é utilizado como condutor de elevado rendimento de luz, imagens ou impulsos codificados. Têm diâmetro de alguns micrómetros, ligeiramente superior ao de um cabelo humano.[1] Por ser um material que não sofre interferências eletromagnéticas, a fibra ótica possui uma grande importância em sistemas de comunicação de dados.

Inicialmente, as fibras óticas, utilizadas como guias de transmissão de sinais óticos, operavam entre distâncias limitadas, pois apresentavam grande perda de luz na transmissão e alto calor que os lasers produziam. Contudo, em meados dos anos 70, ocorreu um aprimoramento significativo das técnicas ópticas utilizadas e, devido a isso, tornou-se possível a monitoração de grandezas e a troca de informações a longas distâncias. Já no Brasil, a fibra óptica foi introduzida apenas em 1977, após grandes pesquisas, realizadas na sua maioria pela UNICAMP.[2]

Há dois tipos de denominação recorrentes às fibras óticas, os quais possuem características e finalidades próprias. Um deles é a fibra óptica monomodo. Esta apresenta um caminho possível de propagação e é a mais utilizada em transmissão a longas distâncias (devido a baixas perdas de informação). Já a fibra multimodo, permite a propagação da luz em diversos modos e é a mais utilizada em redes locais (LAN), devido ao seu custo moderado. [3]

Geometria da fibra ótica

Representação ilustrativa da fibra óptica

As fibras óticas consistem, geralmente, de um núcleo central cilíndrico e transparente de vidro puro, o qual é envolvido por uma camada de material com menor índice de refração (fator que viabiliza a reflexão total). Ou seja, a fibra óptica é composta por um material com maior índice de refração (núcleo) envolto por um material com menor índice de refração (casca). Ao redor da casca ainda há uma capa feita de material plástico necessária para proteger o interior contra danos mecânicos.[4]

Funcionamento

A transmissão da luz pela fibra segue um princípio único, independentemente do material usado ou da aplicação: é lançado um feixe de luz numa extremidade da fibra e, pelas características ópticas do meio (fibra), esse feixe percorre a fibra por meio de reflexões sucessivas. A fibra possui no mínimo duas camadas: o núcleo (filamento de vidro) e o revestimento (material eletricamente isolante). No núcleo, ocorre a transmissão da luz propriamente dita. A transmissão da luz dentro da fibra é possível graças a uma diferença de índice de refração entre o revestimento e o núcleo, sendo que o núcleo possui sempre um índice de refração mais elevado, característica que aliada ao ângulo de incidência do feixe de luz, possibilita o fenômeno da reflexão total. Ou seja, a luz é mantida no núcleo através de reflexão interna total. Isto faz com que a fibra funcione como guia de onda, transmitindo luz entre as duas extremidades.

Representação de dois raios de luz se propagando dentro de uma fibra ótica. Nessa imagem percebe-se o fenômeno da reflexão total no feixe de luz “a”.

Reflexão total

n n ⋅ sin ⁡ θ i = n c ⋅ sin ⁡ θ r {\displaystyle n_{n}\cdot \sin \theta _{i}=n_{c}\cdot \sin \theta _{r}} {\displaystyle n_{n}\cdot \sin \theta _{i}=n_{c}\cdot \sin \theta _{r}}

De modo que n c < n n {\displaystyle n_{c}<n_{n}} {\displaystyle n_{c}<n_{n}}.

Para termos a reflexão total, o θ i {\displaystyle \theta _{i}} {\displaystyle \theta _{i}} tem de ser maior do que o θ c r i t {\displaystyle \theta _{crit}} {\displaystyle \theta _{crit}}, o qual ocorre quando o ângulo de refração for de 90º.

n n ⋅ sin ⁡ θ i = n c ⋅ sin ⁡ 90 ∘ {\displaystyle n_{n}\cdot \sin \theta _{i}=n_{c}\cdot \sin 90^{\circ }} {\displaystyle n_{n}\cdot \sin \theta _{i}=n_{c}\cdot \sin 90^{\circ }}, como seno de 90º é 1,

A reflexão interna total da fibra ótica segue o mesmo princípio da água com o ar.

sin ⁡ θ i = n c n n {\displaystyle \sin \theta _{i}={\frac {n_{c}}{n_{n}}}} {\displaystyle \sin \theta _{i}={\frac {n_{c}}{n_{n}}}}

θ crit = arcsin ⁡ ( n c n n ) {\displaystyle \theta _{\text{crit}}=\arcsin \left({\frac {n_{c}}{n_{n}}}\right)} {\displaystyle \theta _{\text{crit}}=\arcsin \left({\frac {n_{c}}{n_{n}}}\right)}

n c = {\displaystyle n_{c}=} {\displaystyle n_{c}=} Índice de refração da casca

n n = {\displaystyle n_{n}=} {\displaystyle n_{n}=} Índice de refração do núcleo

θ i = {\displaystyle \theta _{i}=} {\displaystyle \theta _{i}=} Ângulo de incidência (em relação à normal)

θ r = {\displaystyle \theta _{r}=} {\displaystyle \theta _{r}=} Ângulo de refração (em relação à normal)

θ c r i t = {\displaystyle \theta _{crit}=} {\displaystyle \theta _{crit}=} Ângulo máximo em que ainda ocorre refração

Desse modo, a partir do θ c r i t {\displaystyle \theta _{crit}} {\displaystyle \theta _{crit}} , ocorrerá o fenômeno da reflexão total dentro da fibra óptica, de modo que apenas os raios com θ > θ c r i t , {\displaystyle \theta >\theta _{crit},} {\displaystyle \theta >\theta _{crit},} permanecerão no núcleo.[5]

Transmissão

Mesmo confinada a um meio físico, a luz transmitida pela fibra óptica proporciona o alcance de taxas de transmissão (velocidades) elevadíssimas, da ordem de 109 à 1010 bits por segundo (cerca de 40 Gbps), com baixa taxa de atenuação por quilômetro. Mas a velocidade de transmissão total possível ainda não foi alcançada pelas tecnologias existentes. Como a luz se propaga no interior de um meio físico, sofrendo ainda o fenômeno de reflexão, ela não consegue alcançar a velocidade de propagação no vácuo, que é de 300.000 km/segundo, sendo esta velocidade diminuída consideravelmente.

Para transmitir dados pela fibra ótica, são necessários equipamentos especiais, que contêm um componente fotoemissor, que pode ser um diodo emissor de luz (LED) ou um diodo laser. O fotoemissor converte sinais elétricos em pulsos de luz que representam os valores digitais binários (0 e 1). Tecnologias como WDM (CWDM e DWDM) fazem a multiplexação de vários comprimentos de onda em um único pulso de luz chegando a taxas de transmissão de 1,6 Terabits/s em um único par de fibras.

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