Estrutura da fibra óptica

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DEFINIÇÃO
Fibra óptica é um avanço tecnológico considerável que ocasionou uma revolução em ramos
como medicina, engenharia espacial e telecomunicações, elevando o padrão da aplicação da
teoria da Lei de Snell, que compõe a óptica geométrica.
PROPÓSITO
Compreender a teoria e a prática que embasam o advento da fibra óptica.
ESTRUTURA DA FIBRA ÓPTICA
INTRODUÇÃO
Desde o início da humanidade, há interesse do homem em conseguir enviar mensagens a
longas distâncias. O avanço tecnológico permitiu o aprimoramento deste fenômeno, tendo a
fibra óptica como fator decisivo para chegar ao desenvolvimento existente na atualidade. A fibra
óptica é um MEIO DE TRANSMISSÃO de mensagens atravessado por uma onda
eletromagnética, que se move, com velocidade da luz no vácuo (3x108 m/s). A fibra óptica,
portanto, funciona de forma equivalente a um duto, que conduz a onda eletromagnética de um
emissor de sinal a um receptor de sinal.
Antes da invenção do telefone por Alexander Graham Bell, em 1875, a voz humana só
conseguia ser transmitida por poucos metros, pois dependia da capacidade vocal do locutor.
Após a invenção do aparelho, o sinal de voz passou a ser convertido em sinal elétrico e assim
pode ser transmitido por distâncias muito maiores do que o alcance vocal, utilizando fios
condutores, permitindo as chamadas telefônicas de pessoas que se encontravam a quilômetros
de distância.
Imagem: Shutterstock.com
 Telefone castiçal.
O envio de mensagem a longa distância veio evoluindo, buscando sempre o maior alcance,
mas também a melhor qualidade. Até 1887, os cabos condutores eram a única forma de
transmissão de mensagens, porém, neste mesmo ano, Heinrich Hertz comprovou sua teoria
ondulatória, utilizando um circuito oscilador. Esta teoria propiciou que em 1906 a primeira
transmissão radiofônica fosse realizada por Lee de Forest nos Estados Unidos.
Dando um salto para a segunda metade do século XX (1952), tivemos a descoberta do físico
indiano Narinder Singh Kapany, o qual percebeu que a fibra óptica é capaz de aprisionar a luz
em seu interior devido ao fenômeno da reflexão total. Seus estudos eram voltados para a
Medicina, mas, após análises, o físico Chinês Charles Kao experimentou utilizar a fibra óptica
para transmitir chamadas telefônicas, conseguindo provar que era possível transmitir por essa
nova fibra, tanto dados de voz, como dados de imagem (televisão, computador e transmissão
de dados via internet) com um custo muito inferior ao dos cabos convencionais.
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 Televisão a válvula.
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 Computador da década de 1950.
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 Servidor de internet.
Em 1988, foi instalado o primeiro cabo oceânico constituído de fibra óptica, dando início a era
da supervelocidade da informação.
FIBRAS ÓPTICAS: O QUE SÃO?
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Após a invenção da fibra óptica por Narinder Singh Kapany, os cientistas se voltaram para o
desafio de criar um tipo de vidro de pureza elevada que permitisse que somente 1% da
potência da luz emitida para o interior da fibra fosse dissipada ao fim de uma transmissão de 1
km. Desde então, as pesquisas evoluíram ao ponto de atingirem o limite teórico do vidro
confeccionado a partir da sílica. Graças a esse avanço tecnológico e ao progresso na área da
eletrônica, atualmente, é possível transmitir um sinal através da fibra óptica por uma distância
de 100 km, sem necessidade de amplificação de sinal.
A fibra óptica é constituída de materiais dielétricos (isolantes), em geral: sílicas ou polímeros
(plásticos). As fibras possuem uma estrutura muito longa e cilíndrica, porém tão finas quanto
um fio de cabelo humano.
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 Componentes de uma fibra óptica.
A estrutura cilíndrica da fibra óptica é composta por uma região central que podemos chamar
de núcleo, por onde a luz é transmitida. Há também uma região periférica que podemos
chamar de casca, a qual apresenta duas funções: proteger o núcleo, e participar, com um
índice de refração menor do que o índice de refração do núcleo para propiciar a reflexão total
da luz no interior do núcleo.
A figura 1 ilustra a trajetória da luz no interior de uma fibra óptica. Vemos como a luz se
propaga no interior do núcleo, e a relação dos índices de refração do material que compõe o
núcleo e o material que compõe a casca.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Figura 1: Esquema ilustrativo do núcleo da fibra óptica.
Vamos agora observar a Figura 2 e aprender como uma fibra óptica é composta:
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Esquema ilustrativo detalhado dos componentes do cabo de fibra óptica.
1
O núcleo é um filamento muito fino de vidro baseado em sílica ou polímero de fluoreto de
carbono, cujo diâmetro está na escala de micrômetros (μm). Todavia, quanto maior for o
diâmetro do filamento, maior é a quantidade de onda eletromagnética que ele pode transmitir.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Esquema ilustrativo detalhado dos componentes do cabo de fibra óptica.
2
A casca é uma camada que reveste o núcleo. O material que compõe a casca é escolhido de
forma a possuir um índice de refração menor do que o índice de refração do núcleo, o que
propicia a reflexão total, permitindo que a luz chegue ao destino.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Esquema ilustrativo detalhado dos componentes do cabo de fibra óptica.
3
Revestindo a casca, temos o que chamamos de capa, que em geral é um polímero termofixo,
com a finalidade de proteger a casca da fibra óptica contra choques mecânicos e abrasão,
além de impor um limite de curvatura à fibra para que ela não se quebre durante a sua
manipulação.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Esquema ilustrativo detalhado dos componentes do cabo de fibra óptica.
4
Envolvendo a capa, estão as fibras de resistência mecânica, as quais em geral são feitas de
Kevlar (o mesmo utilizado em coletes à prova de balas) e tem a função de proteger a fibra de
impactos mecânicos, como também de tensões mecânicas altas que são aplicadas à fibra
durante a sua instalação.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Esquema ilustrativo detalhado dos componentes do cabo de fibra óptica.
5
Neste ponto, encontra-se o revestimento externo, que também é composto de um polímero
termofixo que reveste todos os componentes da fibra óptica e protege os componentes das
intempéries do meio externo.
O princípio básico da transmissão da luz por fibras ópticas está em garantir o processo de
reflexão total no interior do núcleo, que ocorre quando o feixe de luz passa de um meio mais
denso (núcleo) para um meio menos denso (casca). A fim de que este fenômeno de reflexão
total ocorra, torna-se necessário que a luz atinja a interface existente entre o núcleo e a casca,
em um ângulo , maior que um ângulo crítico ou seja: 
PASSO 1
Para garantirmos tal condição, é necessário que a luz adentre a fibra óptica com um ângulo
inferior ao ângulo crítico , como demonstra a figura abaixo. Nela, o ângulo é o
ângulo de incidência da luz na fibra. O ângulo é o ângulo de incidência do raio de luz na
interface núcleo casca e o ângulo é o ângulo de reflexão da luz que é igual a .
 Figura 3: Demonstração da reflexão da luz no núcleo do cabo de fibra óptica.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo

θi θc θi > θc
θl < θc θl 
θi
θr θi
PASSO 2
Visto que há a condição de limitação de incidência do raio de luz na fibra óptica, podemos
verificar que existe um cone de aceitação, que demonstra as faixas angulares de incidência do
raio de luz, para que a luz seja transmitida pela fibra óptica.
 Figura 4: Cone de convergência de luz para propagação na fibra óptica.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo

PASSO 3
Para garantir a existência deste cone de incidência e minimizar ou, até mesmo, extinguir
ângulos maiores que , utilizamos à frente da fonte de luz uma lente convergente, que tem o
papel de convergir os raios de luz (como uma lupa faz com os raiossolares) e conduzi-los para
o interior da fibra. Veja:
 Figura 5: Demonstração da utilização de lente convergente entre a fonte de luz e a fibra
óptica.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
Chamamos de ângulo de aceitação da fibra, que é o ângulo máximo que o raio de luz
adentra a fibra e sofre reflexão total. Ele é deduzido através da aplicação da teoria de Lei de
θl
θ1
Snell, tendo como condição a reflexão interna total, resultando em:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que n0 é o índice de refração do meio externo à fibra, n1 é o índice de refração do núcleo e
n2 é o índice de refração da casca, lembrando que n2 < n1.
A partir do conceito de ângulo de aceitação, podemos inserir o conceito de abertura numérica
(AN). A abertura numérica é um número real, adimensional que caracteriza os intervalos
angulares pelos quais o sistema pode receber luz por um lado (entrada de luz) e emitir luz pelo
outro (saída de luz).
Matematicamente, expressamos a abertura numérica da seguinte maneira:
Equação 1
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Também é possível expressar a abertura numérica em relação à diferença relativa entre os
índices de refração , da seguinte maneira:
θl = arcsen
⎡
⎢⎢
⎣
⎤
⎥⎥
⎦
√n21 − n
2
2
n0
AN = n0sen (θl) = √n21 − n
2
2
Equação 2
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Porém, para a maioria das fibras ópticas temos um resultado tal que . Neste caso:
Equação 3
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Combinando as equações 1 e 2, podemos expressar a abertura em função da diferença relativa
entre os índices de refração da seguinte maneira:
Equação 4
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A abertura numérica é um recurso muito rico que nos permite medir, de forma comparativa, a
capacidade da fibra de captar e transmitir luz.
Δ =
n
2
1 − n
2
2
2n21
Δ =
n1 − n2
n1
AN = n1√2Δ
PERFIS DE ÍNDICE DE REFRAÇÃO DE
FRIBAS ÓPTICAS
São dois os tipos de índice de refração de fibras ópticas:
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Figura 6: Fibra do tipo índice degrau.
1- Fibra do tipo índice degrau: O índice de refração é constante em todo o seu comprimento.

Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Figura 7: Fibra do tipo índice gradual.
2- Fibra do tipo índice gradual: O índice de refração varia de acordo com o diâmetro do núcleo,
de forma parabólica.
FABRICAÇÃO DAS FIBRAS ÓPTICAS
O filamento de fibra óptica é produzido a partir do processamento da Preforma (matéria bruta),
que é constituída 100% de sílica de vidro. No processamento, a Preforma é extrusada a quente
a uma temperatura muito próxima de 2000°C. Para extrusar, é necessário derreter a ponta da
fibra a fim de que seja possível puxá-la mecanicamente.
Ao passar pela extrusora, a Preforma se afunila de tal modo que se torna um fio muito fino e
muito longo. Após, a fibra passa pelas etapas de aplicação das camadas externas, começando
pela casca, que possui índice de refração menor que o da fibra; em seguida, os fios de Kevlar
para proteger a fibra contra impactos; e por fim, a capa protetora. Depois, a fibra é enrolada em
uma bobina para que seja transportada.
A força motriz que empurra a Preforma para o interior da extrusora é a força gravitacional. A
figura a seguir ilustra o processo de fabricação.
Imagem: Gabriel Burlandy Mota de Melo
 Figura 8: Mecanismo de fabricação da fibra óptica.
TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS
As fibras ópticas são classificadas em dois modelos:
Fibra Monomodo ou Single Mode (SM)
Tipo de fibra que possui o núcleo com espessura aproximada de 9 micrômetros. Ela permite a
transmissão da luz cujos comprimentos de onda variam de 1310nm a 1650nm. Neste tipo de
fibra, a luz trafega pelo núcleo com trajetórias lineares. Atualmente, é o tipo de fibra óptica mais
utilizada para transmissão de dados em rede, a longa distância.
Fibra Multimodo ou Multimode (MM)
Tipo de fibra que possui o núcleo com espessura entre 50 e 62,5 micrômetros. Ela permite a
transmissão da luz cujos comprimentos de onda variam de 850nm a 1300nm. Neste tipo de
fibra, a luz se desloca em zigue-zague. Tais fibras são preferencialmente utilizadas em redes
de curta distância.
EXEMPLOS DE UTILIZAÇÃO DA FIBRA
ÓPTICA
Uma das notáveis aplicações da fibra óptica é a sua utilização na medicina, tal como realizar o
exame de endoscopia. Com as fibras, introduzem-se dois feixes de luz na garganta do
paciente, junto a uma microcâmera, permitindo ao médico visualizar os órgãos internos.
Através da fibra óptica também é possível transmitir laser e realizar cirurgias como, por
exemplo, a cauterização de úlceras no estômago.
A fibra óptica também tem aplicação na engenharia aeroespacial, sendo aplicada em
telescópios que tem como objetivo fazer observações simultâneas de diversos astros celestes.
Na telecomunicação, a fibra óptica é amplamente utilizada na transmissão de pulsos
eletromagnéticos, ou seja, qualquer tipo de radiação eletromagnética (luz, infravermelho, radio
etc.). A fibra óptica apresenta uma grande vantagem sobre os cabos de cobre, pois em fios
deste material é necessário instalar um amplificador de sinal a cada 4 km de comprimento do
fio, enquanto nas fibras ópticas os amplificadores ficam instalados em comprimentos superiores
a 10 km.
Existem também desvantagens sobre as fibras ópticas, sendo uma delas a velocidade de
transmissão de dados. Os pulsos elétricos em fio de cobre viajam a velocidades de 300.000
km/s, enquanto nas fibras ópticas os sinais eletromagnéticos percorrem em média 200.000
km/s. Outra desvantagem está no fato de a fibra óptica possuir menor resistência mecânica
quando comparada ao cobre.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
As fibras ópticas apresentaram um grande avanço tecnológico, principalmente no ramo de
envio e recebimento de dados. O seu advento impactou também outras áreas como, por
exemplo, a medicina. Utilizando o conceito de reflexão total, tornou-se capaz de criar fibras
ópticas específicas para condução de determinadas radiações eletromagnéticas, controlando a
faixa de comprimento de onda eletromagnética transmitida, através do controle do diâmetro do
núcleo da fibra óptica.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. EM UMA FIBRA ÓPTICA, A DIFERENÇA RELATIVA ENTRE OS ÍNDICES
DE REFRAÇÃO É DE 0,00006. SE O ÍNDICE DE REFRAÇÃO DO NÚCLEO É
DE 1,10000, O ÍNDICE DE REFRAÇÃO DA CASCA É IGUAL A:
A) 0,999934
B) b) 0,999834
C) c) 0,999634
D) d) 0,999538
E) e) 0,999439
2. UMA FONTE DE LUZ É COLOCADA EM FRENTE A UMA FIBRA ÓPTICA,
CUJO MEIO É O AR (N0 = 1). ESSA FONTE EMITE LUZ BRANCA, PARA
UMA FIBRA ÓPTICA, CUJO ÍNDICE DE REFRAÇÃO É IGUAL A 1,5 E
POSSUI UMA CASCA COM ÍNDICE DE REFRAÇÃO DE 1,3. ASSINALE A
OPÇÃO QUE REPRESENTA O ÂNGULO DE ACEITAÇÃO DA FIBRA:
A) 91,30°
B) 81,25°
C) 71,10°
D) 61,00°
E) 48,59°
GABARITO
1. Em uma fibra óptica, a diferença relativa entre os índices de refração é de 0,00006. Se
o índice de refração do núcleo é de 1,10000, o índice de refração da casca é igual a:
A alternativa "A " está correta.
Como ∆≪1, temos:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
2. Uma fonte de luz é colocada em frente a uma fibra óptica, cujo meio é o ar (n0 = 1).
Essa fonte emite luz branca, para uma fibra óptica, cujo índice de refração é igual a 1,5 e
possui uma casca com índice de refração de 1,3. Assinale a opção que representa o
ângulo de aceitação da fibra:
A alternativa "E " está correta.
Temos:
Δ =
n1 − n2
n1
0, 00006 =
1, 10000 − n2
1, 10000
n2 = 1,1 − 0,00006 ∙ 1,10000 = 0,999934
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Então
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
n0 = 1, n1 = 1,5 e n2 = 1,3, assim:
� Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
AN = n0sen(θl) = √n21 − n
2
2
n0sen (θl) = √n21 − n22
1 ∙ sen (θl) = √1, 52 − 1, 32
sen (θl) = 0, 75
θl = arcsen (0, 75) = 48, 59°
CONTEUDISTA
Gabriel Burlandy Mota de Melo
 CURRÍCULO LATTES
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