No post anterior apresentei a idéia física básica que está por trás do funcionamento de uma fibra óptica que faz uso de um belo "truque" óptico para transportar a luz.

Existem variantes das fibras ópticas destinadas a diversas aplicações práticas. Mas o que realmente importa é que as fibras ópticas substituem os fios condutores metálicos com uma série de vantagens. Dentre tais vantagens, destaco: 

• Baixa atenuação do sinal uma vez que a fibra óptica absorve pouco a luz que transporta;
• Imunidade a ruídos eletromagnéticos uma vez que o sinal luminoso, ao contrário das correntes elétricas nos condutores metálicos, não reage a campos eletromagnéticos externos;
• Maior durabilidade pois o vidro não oxida, ao contrário dos metais usados nos fios condutors tradicionais;
• Economia de espaço com maior largura de banda, ou seja, maior capacidade de transmissão de dados^(*);
• Facilidade de instalação com baixo custo de manutenção. 

Podemos resumir estas comparações dizendo que as fibras ópticas garantem maior desempenho com custo bem menor. Não precisa dizer mais nada, precisa?

:: A Fibras Ópticas no Vestibular

As fibras ópticas já foram assunto de questões em diversos vestibulares do país. Exemplifico esta afirmação apresentando abaixo uma questão da prova de conhecimentos específicos do vestibular da Unifesp 2007.

Clique aqui para ver a resolução comentada desta questão pelos meus amigos autores do Sistema Anglo de Ensino.

• [03/07/2006]  Fenômenos
• [24/03/2007]  Chuva e Arco-Íris Duplo Pra Enfeitar a Tarde

Foto digital: Dulcidio Braz Jr/Luíza Araújo Braz

Fibras ópticas transmitindo a luz de LEDs^(*) coloridos

Completou trinta anos no mês passado o projeto brasileiro de fibras ópticas criado em 1977 no IFGW - Insituto de Física Gleb Wataghin da Unicamp - Universidade Estadual de Campinas.

E foi exatamente no DEQ - Departamento de Eletrônica Quântica, onde trabalhei com pesquisa bem mais tarde, nos anos 90, que o projeto brasileiro envolvendo lasers e fibras ópticas nasceu.

Lembro-me bem de que em 1982, quando ingressei na graduação nesta instituição, o projeto pioneiro e de grande sucesso era um orgulho para a Universidade e para o seu instituto de Física e envolvia pesquisadores de peso.

:: O que são Fibras Ópticas

São fios muito finos de fibra de vidro capazes de transmitir luz por grandes distâncias e com pouca perda de energia. Também são chamados de guias de ondas pois "guiam" as ondas luminosas em seu interior.

Através da luz "guiada" é possível enviar informações digitais em código binário, o código e "zeros" e "uns" usado na informática para traduzir qualquer informação seja ela um texto, uma imagem ou um som.

Na prática, as Fibras Ópticas substituem os fios de cobre nos quais as informações viajam através da eletricidade. É uma forma eficiente e muito elegante de trocar a eletricidade pela luz no cada vez mais importante processo de transmitir informações à distância.

:: A Lei de Snell-Descartes, a Reflexão Total, e as Fibras Ópticas

Cada meio, mesmo sendo transparente, oferece uma maior ou menor dificuldade à passagem da luz. Esta dificuldade recebe o nome de Refringência e é estimada por um parâmetro físico chamado de índice de refração absoluto do meio (n_meio) dado por:

onde c @ 3.10⁸ m/s é a velocidade da luz no vácuo e V_meio a velocidade da luz no meio.

A definição acima nos mostra que, quanto menor for a velocidade da luz num meio, maior será o índice de refração, ou seja, maior será a dificuldade da luz em propagar-se no meio.

Quando a luz passa de um meio transparente para outro dizemos que ela sofre Refração. A figura a seguir ilustra exemplo típico de Refração que quase sempre vem acompanhada de Reflexão.

A Refração é descrita quantitativamente pela Lei de Snell-Descartes:

Esta lei relaciona os ângulos i (de incidência) e r (de refração) do raio de luz com os índices de refração dos dois meios. Para melhor entendê-la, nada como um exemplo numérico. Suponha a luz propagando-se no vácuo (n_vácuo = c/c = 1) e incidindo em uma placa de plástico transparente de índice de refração n_p = 1,41 (valor muito próximo de raiz quadrada de dois) formando i = 45^o  com a direção normal, como nos mostra a figura abaixo já com o cálculo do ângulo r.

Observe que o raio passou do meio menos para o meio mais refringente e sofreu um desvio D, aproximando-se da direção normal N à superfície de separação entre os dois meios. Se fosse ao contrário, com a luz indo do meio mais para o meio menos refringente, o raio iria afastar-se da normal, como na figura abaixo em que o sentido da propagação da luz foi invertido.

E aí vem uma das coisas mais bonitas e interessantes na Óptica clássica: com a luz indo do meio mais para o meio menos refringente, se aumentarmos gradativamente o ângulo de incidência i, teremos o raio refratado cada vez mais afastado da normal N até que ele acaba saindo rasante à superfície de separação dos meios. Esta é uma situação limite e por isso mesmo o ângulo i recebe o nome de ângulo limite L. Se tomarmos um ângulo i ainda maior (tal que i > L) a luz se fastará ainda mais da normal e voltará para o meio de origem. Logo, não sofrerá mais Refração, apenas Reflexão Interna Total. O componente de Refração deixa de existir e persiste apenas o componente de Reflexão. Parece mentira mas, mesmo sendo os dois meios transparentes, a luz é barrada a partir de uma certa inclinação do raio incidente!

A Reflexão Interna Total é a base do funcionamento das Fibras Ópticas nas quais um raio de luz entra por uma ponta e, após sofrer sucessivas reflexões, escapa pela outra extremidade.

Para entender este "truque" físico simples, porém muito elegante, basta olhar a fibra mais de perto. Ela possui um núcleo cilíndrico de vidro de índice de refração n_N e uma envoltória (ou casca) também de vidro ligeiramente diferente e de índice de refração n_c. Tudo isso pode estar protegido por uma capa plástica.

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A luz entra na fibra pelo núcleo e tenta escapar pela lateral, através da casca. Mas, como o núcleo é mais refringente que a casca, ou seja, n_N > n_c, se o angulo de incidência do raio de luz dentro da fibra superar o ângulo limite (i > L), o raio será refletido de volta para o núcleo onde fica confinado e é guiado após sucessivos rebatimentos até atingir o outro extremo da fibra por onde pode então escapar.

Canalizando a luz desta forma podemos levá-la para onde quisermos. E, junto com ela, de carona, viajam preciosas informações. Mais uma idéia física genial, não? Tão genial que revolucionou as telecomunicações!

Para saber mais

• Leia matéria no jornal da Unicamp sobre o projeto brasileiro de fibras ópticas.