Saiba como funcionam os cabos de fibra ótica

Mas primeiro, deixe-me mostrar-lhe como funcionam os cabos de fibra ótica.

 

Tenho um balde que modifiquei com uma janela à frente e, do outro lado, coloquei uma rolha neste buraco aqui. Tenho uma garrafa de propilenoglicol com um bocadinho de natas. Um suporte de anel e, claro, um ponteiro laser. Agora, fique de olho neste tampão quando eu apagar as luzes.

 

Isso é maravilhoso. A luz acompanha o fluxo do líquido até ao balde. Incrível. Isto ocorre devido à reflexão interna total. Ao entrar no fluxo, a luz é refletida assim que atinge a interface entre o líquido e o líquido.

 

Pode ver aqui a primeira reflexão, depois a segunda e a terceira. Isto porque existe uma diferença entre o índice de refração do material guia, neste caso o propilenoglicol, e o ar exterior. Recorde-se que sempre que a luz incide sobre uma superfície, pode ser absorvida pelo material, reflectida por este ou passada para dentro e através dele, sendo este último fenómeno designado por "refracção".

 

É mais fácil ver de cima. A reflexão e a refração podem ocorrer simultaneamente. Mas se um raio de luz atingir a superfície num ângulo superior ao ângulo crítico, será completamente refletido e não refratado.

 

Para este sistema de propilenoglicol e ar, desde que um feixe atinja a superfície num ângulo superior a 44,35 graus, medido a partir da normal, propagar-se-á pelo fluxo por reflexão interna total. Para criar o mesmo efeito numa fibra ótica, os engenheiros criam um núcleo de vidro, geralmente dióxido de silício puro, e uma camada exterior chamada "revestimento", que também é frequentemente feita de dióxido de silício, mas com pequenas quantidades de boro ou germânio para diminuir o seu índice de refração.

 

Uma diferença de um por cento é suficiente para que os cabos de fibra ótica funcionem. Para fabricar um pedaço de vidro tão longo e fino, os engenheiros aquecem uma pré-forma de vidro de grandes dimensões. O seu centro é o vidro puro do núcleo e a parte exterior, o revestimento. Em seguida, puxam ou estiram uma fibra, enrolando a massa fundida numa roda a velocidades de até 1.600 metros por segundo. Normalmente, estas torres de estiramento têm vários andares de altura. A altura permite que a fibra arrefeça antes de ser enrolada num tambor.

 

Uma das maiores conquistas da engenharia foi o primeiro cabo de fibra ótica transoceânico, denominado TAT-8. Estendia-se desde Tuckerton, Nova Jérsia, seguindo o fundo do oceano por mais de 5.600 quilómetros até se ramificar para Widemouth, em Inglaterra, e Penmarch, em França.

 

Os engenheiros projetaram o cabo cuidadosamente para sobreviver no fundo do oceano. No seu centro está o núcleo. Com menos de 3 mm de diâmetro, contém seis fibras óticas enroladas num fio de aço central. Embutiram-no num elastómero para amortecer as fibras, envolveram-no com fios de aço e selaram-no dentro de um cilindro de cobre para o proteger da água. O cabo final tinha menos de 2,5 cm de diâmetro, mas ainda assim era capaz de suportar cerca de 40.000 chamadas telefónicas simultâneas.

 

A essência de como enviam informação através de um cabo de fibra ótica é muito simples. Eu poderia ter um sinal pré-estabelecido com alguém na outra ponta. Talvez usemos código Morse e eu simplesmente bloqueie o laser, para que a pessoa que está nessa ponta veja flashes que comuniquem uma mensagem.

 

Para transmitir um sinal analógico, como a voz de uma chamada telefónica, através do cabo, os engenheiros utilizam a Modulação por Código de Pulso. Pegamos num sinal analógico, dividimo-lo em secções e depois aproximamos o volume ou a amplitude da onda da melhor forma possível.

 

Queremos fazer deste um sinal digital, o que significa valores discretos de intensidade sonora e não qualquer valor. Por exemplo, vou utilizar quatro bits, o que significa que tenho 16 valores possíveis para a intensidade sonora. Assim, as primeiras quatro secções do sinal podem ser aproximadas por cerca de 10, 12, 14 e 15.

 

Em seguida, pegamos em cada secção e convertemos a sua amplitude numa série de uns e zeros. A primeira barra de valor 10, quando codificada, passa a ser um, zero, um, zero. Podemos fazer isto para cada secção da curva.

 

Agora, em vez de olhar para a forma de onda verde ou mesmo para as barras azuis, podemos pensar no sinal como uma série de uns e zeros organizados por tempo. É esta sequência que enviamos através de um cabo de fibra ótica: flash para um e nada para zero. É claro que o método exato de codificação é conhecido na extremidade recetora. Portanto, é uma questão trivial decifrar a mensagem.

 

Agora deve estar a perguntar-se como é que um pulso de laser pode viajar quase 6400 quilómetros através do oceano. Isto não acontece sem alguma ajuda, pois a luz escapa pelas laterais das fibras. Observe novamente o nosso fluxo de propileno.

 

Veja como a luz se atenua à medida que viaja. Pode ver aqui um feixe estreito no balde que se alarga ligeiramente ao entrar no fluxo e, após o primeiro reflexo, o feixe sai ainda mais largo do que entrou. Isto acontece porque a interface com o ar é irregular e os raios que compõem o feixe incidem em ângulos ligeiramente diferentes.

 

Quando este feixe faz a sua segunda reflexão, estes raios individuais divergem ainda mais. Até que, ao atingir o terceiro reflexo, muitos dos raios já não se encontram no ângulo crítico e conseguem sair pelas laterais do fluxo. Aqui, isto acontece em poucos centímetros, mas em cabos de fibra ótica como o TAT-8, o sinal percorre uns impressionantes 50 quilómetros antes de precisar de ser amplificado. Absolutamente incrível.