Fibra Óptica

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Antecedentes

Uma fibra óptica é um único filamento fino como um cabelo retirado do vidro de sílica derretido. Essas fibras estão substituindo o fio de metal como meio de transmissão em sistemas de comunicação de alta velocidade e alta capacidade que convertem informações em luz, que é então transmitida por meio de cabo de fibra óptica. Atualmente, as companhias telefônicas americanas representam os maiores usuários de cabos de fibra ótica, mas a tecnologia também é usada para linhas de transmissão, redes de computador de acesso local e transmissão de vídeo.

Alexander Graham Bell, o inventor americano mais conhecido por desenvolver o telefone, tentou se comunicar pela primeira vez usando luz por volta de 1880. No entanto, a comunicação por ondas de luz não se tornou viável até meados do século XX, quando a tecnologia avançada forneceu uma fonte de transmissão, o laser. e um meio eficiente, a fibra óptica. O laser foi inventado em 1960 e, seis anos depois, pesquisadores na Inglaterra descobriram que as fibras de vidro de sílica carregavam ondas de luz sem atenuação significativa ou perda de sinal. Em 1970, um novo tipo de laser foi desenvolvido e as primeiras fibras ópticas foram produzidas comercialmente.

Em um sistema de comunicação de fibra óptica, cabos feitos de fibras ópticas conectam datalinks que contêm lasers e detectores de luz. Para transmitir informações, um datalink converte um sinal eletrônico analógico - uma conversa telefônica ou a saída de uma câmera de vídeo - em pulsos digitais de luz laser. Eles viajam através da fibra óptica para outro datalink, onde um detector de luz os reconverte em um sinal eletrônico.

Matérias-primas

As fibras ópticas são compostas principalmente de dióxido de silício (SiO ₂ ), embora pequenas quantidades de outros produtos químicos sejam frequentemente adicionadas. Pó de sílica altamente purificado foi usado no método de fabricação de cadinhos agora ultrapassado, enquanto tetracloreto de silício líquido (SiCl ₄ ) em uma corrente gasosa de oxigênio puro (02) é a principal fonte de silício para o método de deposição de vapor atualmente em uso generalizado. Outros compostos químicos, como tetracloreto de germânio (GeCl ₄ ) e oxicloreto de fósforo (POC1 ₃ ) pode ser usado para produzir fibras de núcleo e camadas externas, ou revestimentos, com propriedades ópticas específicas da função.

Como a pureza e a composição química do vidro usado nas fibras ópticas determinam a característica mais importante de uma fibra - o grau de atenuação - a pesquisa agora se concentra no desenvolvimento de vidros com a maior pureza possível. Vidros com alto teor de flúor são os mais promissores para melhorar o desempenho da fibra óptica porque são transparentes para quase toda a faixa de frequências de luz visível. Isso os torna especialmente valiosos para fibras ópticas multimodo, que podem transmitir centenas de sinais de ondas de luz discretas simultaneamente.

Design

Em um cabo de fibra óptica, muitas fibras ópticas individuais são unidas em torno de um cabo de aço central ou portador de plástico de alta resistência para suporte. Esse núcleo é então coberto com camadas protetoras de materiais como alumínio, Kevlar e polietileno (o revestimento). Como o núcleo e o revestimento são construídos com materiais ligeiramente diferentes, a luz Para fazer uma fibra óptica, camadas de dióxido de silício são primeiro depositadas na superfície interna de uma haste de substrato oca. Isso é feito usando a Deposição de Vapor Químico Modificado, em que uma corrente gasosa de oxigênio puro combinada com vários vapores químicos é aplicada à haste. Quando o gás entra em contato com a superfície quente da haste, uma fuligem vítrea com várias camadas de espessura se forma dentro da haste.
Depois que a fuligem atinge a espessura desejada, a haste do substrato passa por outras etapas de aquecimento para eliminar a umidade e as bolhas presas nas camadas de fuligem. Durante o aquecimento, a haste de substrato e as camadas internas de fuligem se solidificam para formar o boule ou pré-forma de dióxido de silício altamente puro. viaja através deles em velocidades diferentes. Conforme uma onda de luz viajando no núcleo da fibra atinge o limite entre o núcleo e o revestimento, essas diferenças de composição entre os dois fazem com que a onda de luz se curve para dentro do núcleo. Assim, à medida que um pulso de luz viaja através de uma fibra óptica, ele está constantemente refletindo para longe do revestimento. Um pulso se move através da fibra óptica na velocidade da luz - 186.290 milhas por segundo (299.340 quilômetros por segundo) no vácuo, um pouco mais lento na prática - perdendo energia apenas por causa de impurezas no vidro e por causa da absorção de energia por irregularidades no estrutura de vidro.

As perdas de energia (atenuação) em uma fibra óptica são medidas em termos de perda (em decibéis, uma unidade de energia) por distância da fibra. Normalmente, uma fibra óptica tem perdas tão baixas quanto 0,2 decibéis por quilômetro, o que significa que após uma certa distância o sinal se torna fraco e deve ser reforçado ou repetido. Com a tecnologia de datalink atual, repetidores de sinal de laser são necessários a cada 30 quilômetros (18,5 milhas) em um cabo de longa distância. No entanto, a pesquisa em andamento em pureza de material óptico visa estender a distância entre repetidores de uma fibra óptica em até 100 quilômetros (62 milhas).

Existem dois tipos de fibras ópticas. Em uma fibra monomodo, o núcleo é menor, normalmente 10 micrômetros (um micrômetro tem um milionésimo de um metro) de diâmetro, e o revestimento tem 100 micrômetros de diâmetro. Uma fibra monomodo é usada para transportar apenas uma onda de luz por distâncias muito longas. Pacotes de fibras ópticas monomodo são usados ​​em linhas telefônicas de longa distância e cabos submarinos. As fibras ópticas multimodo, que têm um diâmetro de núcleo de 50 micrômetros e um diâmetro de revestimento de 125 micrômetros, podem transportar centenas de sinais de ondas de luz separados em distâncias mais curtas. Este tipo de fibra é usado em sistemas urbanos onde muitos sinais devem ser transportados para centrais de comutação para distribuição.

Depois que a pré-forma de vidro sólido é preparada, ela é transferida para um sistema de estiramento vertical. Neste sistema, a pré-forma é primeiro aquecida. Ao fazer isso, uma gota de vidro derretido se forma em sua extremidade e, em seguida, cai, permitindo que a única fibra óptica de dentro seja puxada para fora. A fibra passa então pela máquina, onde seu diâmetro é verificado, uma camada protetora é aplicada e é curada pelo calor. Finalmente, é enrolado em um carretel.

O processo de fabricação

Tanto o núcleo quanto o revestimento de uma fibra óptica são feitos de vidro de sílica altamente purificado. Uma fibra óptica é fabricada a partir de dióxido de silício por um de dois métodos. O primeiro, o método do cadinho, no qual a sílica em pó é derretida, produz fibras multimodo mais gordas, adequadas para a transmissão de curta distância de muitos sinais de ondas de luz. O segundo, o processo de deposição de vapor, cria um cilindro sólido de núcleo e material de revestimento que é então aquecido e puxado em uma fibra monomodo mais fina para comunicação de longa distância.

Existem três tipos de técnicas de deposição de vapor:Deposição de fase de vapor externa, Deposição axial de fase de vapor e Deposição de vapor químico modificada (MCVD). Esta seção se concentrará no processo MCVD, a técnica de fabricação mais comum em uso. O MCVD produz uma fibra de baixa perda adequada para cabos de longa distância.

Vapor Químico Modificado
Deposição

• 1 Em primeiro lugar, uma pré-forma cilíndrica é feita depositando camadas de dióxido de silício especialmente formulado na superfície interna de uma haste de substrato oco. As camadas são depositadas pela aplicação de uma corrente gasosa de oxigênio puro na haste do substrato. Vários vapores químicos, como tetracloreto de silício (SiCl ₄ ), tetracloreto de germânio (GeCl ₄ ), e oxicloreto de fósforo (POC1 ₃ ), são adicionados ao fluxo de oxigênio. Quando o oxigênio entra em contato com a superfície quente da haste - uma chama embaixo da haste mantém as paredes da haste muito quentes - dióxido de silício de alta pureza é formado. O resultado é uma fuligem vítrea, com várias camadas de espessura, depositada dentro da haste. Essa fuligem se tornará o núcleo. As propriedades dessas camadas de fuligem podem ser alteradas dependendo dos tipos de vapores químicos usados.
• 2 Depois que a fuligem atinge a espessura desejada, a haste do substrato é movida por outras etapas de aquecimento para expulsar qualquer Um cabo de fibra óptica típico geralmente inclui várias fibras ópticas em torno de um cabo de aço central. Várias camadas de proteção são aplicadas, dependendo da aspereza do ambiente onde o cabo será colocado. umidade e bolhas presas nas camadas de fuligem. Durante o aquecimento, a haste de substrato e as camadas internas de fuligem se solidificam para formar o boule ou pré-forma de dióxido de silício altamente puro. Uma pré-forma geralmente mede 10 a 25 milímetros (0,39 a 0,98 polegadas) de diâmetro e 600 a 1000 milímetros (23,6 a 39,37 polegadas) de comprimento.

Desenhando as fibras

• 3 A pré-forma sólida é então automaticamente transferida para um sistema de estiramento de fibra vertical. As máquinas que compõem um sistema de estiramento vertical típico podem ter dois andares de altura e são capazes de produzir fibras contínuas de até 300 quilômetros (186 milhas) de comprimento. Este sistema consiste em um forno para derreter a extremidade do pré-molde, sensores para monitorar o diâmetro da fibra sendo puxada do pré-molde e dispositivos de revestimento para aplicar camadas protetoras sobre o revestimento externo.
• 4 A pré-forma passa primeiro por um forno, onde é aquecida a cerca de 3600 graus Fahrenheit (cerca de 2000 graus Celsius). Em seguida, uma gota de vidro derretido chamada "gota" se forma no final da pré-forma, bem como uma gota de água que se acumula no fundo de uma torneira que vaza. A gota então cai e a única fibra óptica interna é retirada da pré-forma. Conforme a fibra óptica é puxada da pré-forma, o material na haste de substrato original forma o revestimento e o dióxido de silício depositado como fuligem forma o núcleo da fibra óptica.
• 5 À medida que a fibra é retirada, dispositivos de medição monitoram seu diâmetro e concentricidade, enquanto outro dispositivo aplica uma camada protetora. A fibra então passa por um forno de cura e outro dispositivo de medição que monitora o diâmetro, antes de ser enrolada em um carretel.

Controle de qualidade

O controle de qualidade começa com os fornecedores dos compostos químicos usados ​​como matéria-prima para as barras de substrato, reagentes químicos e revestimentos de fibra. Os fornecedores de produtos químicos especializados fornecem análises químicas detalhadas dos compostos constituintes, e essas análises são constantemente verificadas por analisadores on-stream computadorizados conectados aos vasos de processo.

Engenheiros de processo e técnicos altamente treinados observam de perto os vasos selados enquanto as pré-formas são criadas e as fibras desenhadas. Os computadores operam os complexos esquemas de controle necessários para gerenciar as altas temperaturas e altas pressões do processo de fabricação. Dispositivos de medição precisos monitoram continuamente o diâmetro da fibra e fornecem feedback para controle do processo de desenho.

O Futuro

As fibras ópticas do futuro virão da pesquisa em andamento de materiais com propriedades ópticas aprimoradas. Atualmente, os vidros de sílica com alto teor de flúor são os mais promissores para as fibras ópticas, com perdas de atenuação ainda menores do que as fibras altamente eficientes de hoje. Fibras experimentais, extraídas de vidro contendo 50 a 60 por cento de fluoreto de zircônio (ZrF ₄ ), agora mostram perdas na faixa de 0,005 a 0,008 decibéis por quilômetro, enquanto as fibras anteriores costumavam apresentar perdas de 0,2 decibéis por quilômetro.

Além de utilizar materiais mais refinados, os produtores de cabos de fibra ótica estão experimentando melhorias de processos. Atualmente, os processos de fabricação mais sofisticados usam lasers de alta energia para derreter as pré-formas para a extração da fibra. As fibras podem ser retiradas de uma pré-forma a uma taxa de 10 a 20 metros (32,8 a 65,6 pés) por segundo, e fibras monomodo de 2 a 25 quilômetros (1,2 a 15,5 milhas) de comprimento podem ser retiradas de uma pré-forma. Pelo menos uma empresa relatou a criação de fibras de 160 quilômetros (99 milhas), e a frequência com que as empresas de fibra óptica estão reequipando - quase a cada dezoito meses - sugere que inovações ainda maiores estão por vir. Esses avanços serão impulsionados em parte pelo uso crescente de fibras ópticas em redes de computadores e também pela crescente demanda por tecnologia em mercados internacionais emergentes, como Europa Oriental, América do Sul e Extremo Oriente.