Como Funciona a Fibra Óptica

Linhas de fibra óptica são fios de vidro opticamente puro tão finos quanto um cabelo humano que transportam informações digitais por longas distâncias. Eles também são usados em imagens médicas e inspeção de engenharia mecânica. Eles praticamente substituíram a tecnologia mais antiga de fios de cobre nas telecomunicações.

Neste artigo, mostraremos como esses pequenos fios de vidro tranSMitem luz e a maneira fascinante como esses fios são feitos.

Conteúdo

1. O que são fibras ópticas?

2.How Uma fibra óptica transmite luz?

3. Um sistema de relé de fibra óptica

4. Vantagens da Fibra Óptica

5.How As fibras ópticas são feitas?

O Que São Fibras Ópticas?

Fibras ópticas (fibras ópticas) são fios longos e finos de vidro muito puro com o diâmetro de um cabelo humano. Eles são dispostos em feixes chamados cabos ópticos e usados para transmitir sinais de luz por longas distâncias.

Se você olhar atentamente para uma única fibra óptica, verá que ela possui as seguintes partes:

Núcleo - centro fino da fibra onde a luz viaja

Revestimento - material óptico externo ao redor do núcleo que reflete a luz de volta para o núcleo

Tampão - um revestimento plástico protetor aplicado diretamente na fibra óptica

Jaqueta - camada externa protetora do cabo que protege a fibra de danos e umidade

Centenas ou milhares dessas fibras ópticas estão dispostas em feixes em cabos ópticos.

As fibras ópticas vêm em dois tipos:

Fibras monomodo

Fibras multimodo

As fibras de modo único têm núcleos pequenos (cerca de 3,5 x 10-4 polegadas ou 9 mícrons de diâmetro) e transmitem luz laser infravermelha (comprimento de onda = 1.300 a 1.550 nanômetros ou nm). As fibras multimodo têm núcleos maiores (cerca de 2,5 x 10-3 polegadas ou 62,5 mícrons de diâmetro) e transmitem luz infravermelha (comprimento de onda = 850 a 1.300 nm) de diodos emissores de luz (LEDs).

Algumas fibras ópticas podem ser feitas de plástico. Essas fibras têm um núcleo grande (0,04 polegadas ou 1 milímetro de diâmetro) e podem ser usadas com chips de silício. A fibra de vidro não funciona bem com silício e é cara para se adaptar.

Como uma fibra óptica transmite luz?

Suponha que você queira iluminar um feixe de lanterna por um corredor longo e reto. Basta apontar o feixe direto para o corredor — light travels in straight lines, so it is no problem. What if the hallway has a bend in it? You could place a mirror at the bend to reflect the light beam around the corner. What if the hallway is very winding with multiple bends? You might line the walls with mirrors and angle the beam so that it bounces from side-to-side all along the hallway. This is exactly what happens in an optical fiber.

A luz em um cabo de fibra óptica viaja através do núcleo (corredor) saltando constantemente do revestimento (paredes espelhadas), um princípio chamado reflexão interna total. Como o revestimento não absorve nenhuma luz do núcleo, a onda de luz pode viajar grandes distâncias.

No entanto, parte do sinal dentro da fibra é perdido à medida que percorre distâncias maiores. A extensão em que o sinal se degrada depende da pureza do vidro, do número de curvas na fibra ou emendas que conectam seções de fibra e do comprimento de onda da luz transmitida.

Por exemplo, com fibra multimodo, diâmetros de 850 nm = 3 dB / km; 1.300 nm = 1 dB / km. Para cabo monomodo, 1.310 nm = 0,5 dB / km; 1.550 nm = 0,4 dB / km).

Um Sistema de Relé de Fibra Óptica

Para entender como as fibras ópticas são usadas em sistemas de comunicação, vejamos um exemplo de um filme ou documentário da Segunda Guerra Mundial em que dois navios da marinha em uma frota precisam se comunicar enquanto mantêm silêncio de rádio ou em mares tempestuosos. Um navio pára ao lado do outro. O capitão de um navio envia uma mensagem para um marinheiro no convés. O marinheiro traduz a mensagem em código Morse (pontos e traços) e usa uma luz de sinalização (holofote com um obturador veneziano do tipo cego) para enviar a mensagem para o outro navio. Um marinheiro no convés do outro navio vê a mensagem de código Morse, decodifica-a para o inglês e envia a mensagem para o capitão.

Agora, imagine fazer isso quando os navios estão em ambos os lados do oceano separados por milhares de quilômetros e você tem um sistema de comunicação de fibra óptica instalado entre os dois navios. Os sistemas de relé de fibra óptica consistem no seguinte:

Transmissor - produz e codifica os sinais de luz

Fibra óptica - conduz os sinais de luz à distância

Regenerador óptico - pode ser necessário para aumentar o sinal de luz (para longas distâncias)

Receptor óptico - recebe e decodifica os sinais de luz

Vantagens da Fibra Óptica

Por que os sistemas de fibra óptica estão revolucionando as telecomunicações? Comparado ao fio de metal convencional (fio de cobre), as fibras ópticas:

São menos caros. O cabo de fibra óptica é mais caro do que o fio de cobre, mas também requer menos manutenção. A longo prazo, ele economiza dinheiro para você e seu provedor de Internet.

São mais finas. As fibras ópticas podem ser atraídas para diâmetros menores do que o fio de cobre.

Têm maior capacidade de carga. Como as fibras ópticas são mais finas que os fios de cobre, mais fibras podem ser agrupadas em um cabo de determinado diâmetro do que os fios de cobre. Isso permite que mais linhas telefônicas passem pelo mesmo cabo ou mais canais passem pelo cabo para a caixa da TV a cabo.

Ter menos degradação do sinal. A perda de sinal na fibra óptica é menor do que no fio de cobre.

Não tem interferência de sinais de luz. Ao contrário dos sinais elétricos em fios de cobre, os sinais de luz de uma fibra não interferem com os de outras fibras no mesmo cabo. Isso significa conversas telefônicas ou recepção de TV mais claras.

Ter menor potência. Como os sinais em fibras ópticas degradam menos, transmissores de baixa potência podem ser usados em vez dos transmissores elétricos de alta tensão necessários para fios de cobre. Novamente, isso economiza dinheiro para você e seu provedor.

Tenha sinais digitais. As fibras ópticas são ideais para transportar informações digitais, o que é especialmente útil em redes de computadores.

Não são inflamáveis. Como nenhuma eletricidade passa pelas fibras ópticas, ela não cria calor, reduzindo o risco de incêndio.

São leves. Um cabo óptico pesa menos do que um cabo de fio de cobre comparável (4 libras ou 2 quilos por 1.000 pés ou 305 metros, contra 39 libras ou 18 quilos por 1.000 pés). Os cabos de fibra óptica também ocupam menos espaço no solo.

São flexíveis. Como a fibra óptica é muito flexível e pode transmitir e receber luz, ela é usada em muitas câmeras digitais flexíveis para os seguintes fins:

Imagens médicas - em broncoscópios, endoscópios, laparoscópios

Imagem mecânica - inspecionando soldas mecânicas em tubos e motores (em aviões, foguetes, ônibus espaciais, carros)

Encanamento - para inspecionar linhas de esgoto

Por causa dessas vantagens, você vê fibra óptica em muitos setores, principalmente telecomunicações e redes de computadores. Por exemplo, se você telefonou para a Europa em um telefone fixo dos Estados Unidos (ou vice-versa) e o sinal ricocheteia em um satélite de comunicações, você costuma ouvir um eco na linha. Mas com cabos de fibra óptica transatlânticos, você tem uma conexão direta sem ecos.

Como as fibras ópticas são feitas?

Agora que sabemos como os sistemas de fibra óptica funcionam e por que são úteis, como eles os fazem? As fibras ópticas são feitas de vidro óptico extremamente puro. Pensamos em uma janela de vidro como transparente, mas quanto mais espesso o vidro fica, menos transparente ele se torna devido às impurezas no vidro. No entanto, o vidro em uma fibra óptica tem muito menos impurezas do que o vidro da vidraça.

A fabricação de fibras ópticas requer os seguintes passos:

1. fazendo um cilindro de vidro pré-formado

2. desenhando as fibras da pré-forma

3. testando as fibras

Deixando a pré-forma em branco

O vidro para a pré-forma é feito por um processo denominado deposição química modificada de vapor (MCVD).

No MCVD, o oxigénio é borbulhado através de soluções de tetracloreto de silício (SiCl4), tetracloreto de germânio (GeCl4), tricloreto de fósforo (PoCl3) e / ou outros produtos químicos. A mistura precisa governa as várias propriedades físicas e ópticas (índice de refração, coeficiente de expansão, ponto de fusão, etc.). Os vapores de gás são então conduzidos para o interior de um tubo de sílica sintética ou quartzo (revestimento) num torno especial. À medida que o torno gira, uma tocha é movida para cima e para baixo no exterior do tubo. O calor extremo da tocha faz com que duas coisas aconteçam:

O silício e o germânio reagem com o oxigênio, formando dióxido de silício (SiO2) e dióxido de germânio (GeO2).

O dióxido de silício e o dióxido de germânio depositam-se no interior do tubo e fundem-se para formar vidro.

O torno gira continuamente para fazer um revestimento uniforme e um branco consistente. A pureza do vidro é mantida usando plástico resistente à corrosão no sistema de distribuição de gás (blocos de válvulas, tubos, vedações) e controlando com precisão o fluxo e a composição da mistura. O processo de fabricação do branco da pré-forma é altamente automatizado e leva várias horas. Depois que o branco da pré-forma esfria, ele é testado para controle de qualidade (índice de refração).

Desenho de fibras do espaço em branco da pré-forma

Uma vez que o espaço em branco da pré-forma foi testado, ele é carregado em uma torre de desenho de fibra.

O espaço em branco é baixado para um forno de grafite (3.452 a 3.992 graus Fahrenheit ou 1.900 a 2.200 graus Celsius) e a ponta derrete até que uma bola derretida caia pela gravidade. À medida que cai, esfria e forma um fio.

O operador passa o fio por uma série de copos de revestimento (tampões) e fornos de cura por luz ultravioleta em um carretel controlado pelo trator. O mecanismo do trator puxa lentamente a fibra do espaço em branco aquecido da pré-forma e é controlado com precisão usando um micrômetro a laser para medir o diâmetro da fibra e alimentar as informações de volta ao mecanismo do trator.

As fibras são puxadas do espaço em branco a uma taxa de até 66 pés / s (20 m / s) e o produto acabado é enrolado no carretel. Não é incomum que carretos individuais contenham quilômetros ou quilômetros de fibra óptica.

Testando a fibra óptica acabada

A fibra óptica acabada é testada para o seguinte:

Resistência à tração. Deve suportar 100.000 lb / in2 ou mais

Perfil de índice de refração. Determine a abertura numérica, bem como a tela para defeitos ópticos

Geometria da fibra. Diâmetro do núcleo, dimensões do revestimento e diâmetro do revestimento são uniformes

Atenuação. Determine a extensão em que os sinais de luz de vários comprimentos de onda se degradam ao longo da distância

Capacidade de suporte de informações (largura de banda). Número de sinais que podem ser transportados ao mesmo tempo (fibras multimodo)

Dispersão cromática. Espalhe de vários comprimentos de onda de luz através do núcleo (importante para a largura de banda)

Faixa de temperatura / umidade de funcionamento

Dependência da temperatura da atenuação

Capacidade de conduzir luz debaixo d 'água. Importante para cabos submarinos

Uma vez que as fibras passaram no controle de qualidade, elas são vendidas para companhias telefônicas, empresas de cabo e provedores de rede. A maioria das empresas substituiu seus antigos sistemas baseados em fio de cobre por novos sistemas baseados em fibra óptica para melhorar a velocidade, capacidade e clareza.