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Fabricação da Fibra Óptica
Guilherme Mafra de Queiroz
E-mail: [email protected]
Rafael Teles
E-mail: [email protected]
João Paulo
E-mail: ????????@?????????.com
Resumo
Este artigo tem como objetivo introduzir ao estudo de fibras, que é uma tecnologia recente que vem transformando e melhorando as redes de comunicação mundial. São estudadas os processos de fabricação, as características físicas e tipos de fibras.
Palavra chave: Fibra Óptica, Fabricação
Abstract This article aims to introduce the study of fibers, which is a new technology that is transforming and improving communication networks worldwide. We study the processes of manufacture, physical characteristics and types of fibers.
Keyword: Fiber Optics Manufacturing
1. Introdução
A fibra ótica é um isolante em que dados são transmitidos através da reflexão total de sinais de luz, isto é, a luz transmite a informação no sistema binário, enviando pulso ou não. As fibras óticas permitem que um quantidade de dados muito grande e informações possam ser enviadas a qualquer arte do mundo em um tempo e eficiência muito surpreendente.
Desenvolvida em 1952 por Narinder Singh Kanpany e tendo como base a criação das fontes de luz solidas ( raio laser e LED) na década de sessenta. Hoje mostra a eficiência no sistema de transmissão de dados.
A fibra ótica vem sendo usada em transmissões de sistemas que exigem muita largura de banda, temos como exemplo a videoconferência e sistema telefônico, integrando em vários serviços de telecomunicações.
2. Estrutura da Fibra Ótica
As fibras ópticas são constituídas de materiais dielétricos que
permitem total imunidade a interferências eletromagnética. Essas
interferências eletromagnéticas causam ruídos e até interferência na hora de
transferir dados.
A composição da fibra ótica se dá por um núcleo envolvido por uma
casca, ambos são bastantes puros e são de vidro sólido, porém com índices
de refração diferentes. O índice de refração do núcleo (n1) é sempre maior
que o índice de refração da casca (n2).
Se o ângulo de incidência da luz em uma das extremidades da fibra for
menor que um dado ângulo, chamado de ângulo crítico ocorrerá à reflexão
total da luz no interior da fibra.
Partes de uma única fibra óptica
A fibra ótica possui as seguintes partes:
• O Núcleo: Pode ser de vídeo ou sílica fino. Medido em micro (1 ?m =
0,000001m), por onde passa a luz. O tamanho do diâmetro do núcleo é
diretamente proporcional a luz ele pode conduzir.
• Interface ou Bainha : É a camada que reveste o núcleo. Este
componente ajuda a reflexão da luz e protege ao mesmo tempo o núcleo da
fibra;
• Capa protetora ( Buffer) : Camada de plástico que envolve o núcleo e
a casca, protegendo-os contra choques mecânicos e excesso de curvatura.
• Fibras de resistência mecânica: São fibras que ajudam a proteger o
núcleo contra impactos e tensões excessivas durante a instalação.
Geralmente são feitas de um material chamado kevlar, o mesmo utilizado
em coletes a prova de bala.
3. Processos de fabricação da Fibra Ótica
Para aperfeiçoar as características, mecânicas, geométricas e ópticas de uma fibra óptica sua fabricação ocorre de várias etapas. Os materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas são sílicas puras ou dopada, vidro composto e plástico.
As fibras óticas de sílica pura ou dopadas são as melhores para a transmissão e são usadas em grande número em sistemas de telecomunicações. Porém todos os processos de fabricação são bastante caros e complexos.
Quando as fibras óticas são fabricadas de vidro composto e plástico, não possuem boas características de transmissão ( possuem alta atenuação e baixa faixa de banda passante) , e são utilizadas em sistemas de comunicação de baixa capacidade e pequenas distancias. Porém a
fabricação dessas fibras se torna mais simples e baratas se comparada com fibras sílicas pura ou dopada.
Fabricação da Preforma de vidro
Temos várias maneiras de fabricação da preforma de vidro. O método
“direct- melting” a fibra é fabricada a partir do vidro altamente puro, no seu
estado de fusão. Porém o método mais atual de fabricação da fibra ótica se
dá pelo “ Double-Crucible Method”
Double Crucible Method (Duplo Cadinho)
Neste processo os vidros vêm na forma de bastão, em que são
introduzidos no forno do puxamento, que contém dois cadinhos ( porcelana
ou metal, usado para aquecimento e fusão de sólidos a altas temperaturas).
Neste processo há variação do índice de refração através da migração de
íons alcalinos que mesclam a concentração dos vidros internos e externos
No método Vapour-Phase Deposition existem 4 tipos de processos de
fabricação deste tipo de fibra e a diferença entre eles está na etapa de
fabricação da preforma (bastão que contém todas as características da fibra
óptica, mas possui dimensões macroscópicas). A segunda etapa de
fabricação da fibra, o puxamento, é comum a todos os processos.
Dentre os diferentes métodos de fabricação de fibra ótica existentes, os mais conhecidos são MCVD, VAD, OVD e PVCD
3.1 Processo MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition)
Método de Deposição de Vapores Químicos. Utilizado muito em todo o mundo, foi desenvolvido pelos laboratórios "Bell" nos Estados Unidos.
Parte-se de um tubo de sílica com alto grau de pureza. Preenche-se no seu interior com sílica dopada através da deposição de partículas geradas por oxidação de vapores de cloretos, principalmente de silício e germânio.
Para obter um bastão totalmente sólido e com total transparência, faz-se o colapsamento do material com o emprego de alta temperatura e uma bomba de vácuo.
O bastão colapsado é conhecido como pré-forma. Através do estiramento da pré-forma, que possui pouco mais de um metro de comprimento e alguns centímetros de diâmetro, será obtida a fibra óptica, com alguns microns de diâmetro e dezenas de quilômetros de comprimento, preservando a proporção geométrica de casca (formada pelo tubo de sílica) e núcleo (material depositado) do bastão original.
Na figura abaixo mostramos um esquema onde o oxigênio é bombeado
juntamente com soluções químicas de Silício e Germânio, entre outras. A
mistura correta dos componentes químicos é que vai caracterizar a pré-
forma produzida (índice de refração, coeficiente de expansão etc).
Um tubo especial de sílica ou quartzo (que será a casca da fibra) é
preenchido com a mistura de substâncias químicas (que será o núcleo da
fibra). Para este processo é utilizada uma espécie de torno que gira
constantemente sob o calor de uma chama que percorre o tubo no sentido
longitudinal elevando a temperatura no interior do tubo para 1500°C
aproximadamente. Quando a mistura de substâncias é aquecida, o
Germânio e o Silício reagem com o oxigênio formando o Dióxido de
Silício (SiO2) e o Dióxido de Germânio (GeO2), que se fundem dentro do
tubo formando o vidro do núcleo.
O torno gira continuamente para fazer um bastão consistente e de revestimento uniforme. Após a deposição do número correto de camadas é efetuado o colapsamento do tubo (estrangulamento) para torná-lo um
bastão sólido e maciço denominado pré-forma. Isso é feito elevando-se a temperatura do queimador a 1800-2000ºC, e o tubo fecha-se por tensões superficiais. Por esse processo, obtêm-se fibras de boa qualidade porque a reação que ocorre no interior do tubo não tem contato com o meio externo, dessa maneira evita-se a deposição de impurezas, especialmente a hidroxila (OH-). Com esse processo, podem-se fabricar fibras do tipo multímodo degrau e gradual e monomodo. A pureza do vidro é mantida pelo uso de plástico resistente à corrosão no sistema de fornecimento de gás (blocos de válvulas, tubos, vedações) e pelo controle preciso do fluxo e composição da mistura. O processo de fazer o bastão de pré-forma é altamente automatizado e leva várias horas. Depois que o bastão de pré-forma se resfria, é testado para controle de qualidade, garantindo a pureza dos vidros fabricados.
Foto cedida pela Fibercore Ltd. Torno usado na preparação do bastão de pré-forma
3.2 Processo PCVD: Plasma Activated Chemical Vapour Deposition
Similar ao MCVD, usando um plasma isotérmico para a estimulação da reação de oxidação dos vapores, ao invés de uma região de alta temperatura.
PVCD (Plasma Chemical Vapour Deposition)
A diferença básica deste método, ilustrado abaixo, em relação ao MCVD é
que ao invés de usar um maçarico de oxigênio e hidrogênio, usa-se um
plasma não isotérmico formado por uma cavidade ressonante de
microondas para a estimulação dos gases no interior do tubo de sílica.
Neste processo, não é necessária a rotação do tubo em torno de seu eixo,
pois a deposição uniforme é obtida devido à simetria circular da cavidade
ressoante. A temperatura para deposição é em torno de 1100ºC. As
propriedades das fibras fabricadas por este método são idênticas ao MCVD.
3.3 Processo OVD: Outside Vapour Deposition
A oxidação e deposição dos cloretos é feita externamente a um mandril de cerâmica ou grafite que é depois retirado da pré-forma. Para estimular a deposição também é usado um queimador que percorre longitudinalmente o mandril em rotação constante.
OVD (Outside Vapour Deposition)
Este processo baseia-se no crescimento da preforma a partir de uma
semente, que é feita de cerâmica ou grafite, também chamada de mandril.
Este mandril é colocado num torno e permanece girando durante o processo
de deposição que ocorre sobre o mandril.
Os reagentes são lançados pelo próprio maçarico e os cristais de vidro são
depositados no mandril através de camadas sucessivas. Nesse processo
ocorre a deposição do núcleo e também da casca, e obtém-se preforma de
diâmetro relativamente grande, o que proporcionam fibras de grande
comprimento ( 40 km ou mais). Após essas etapas teremos uma preforma
porosa (opaca) e com o mandril em seu centro.
Para a retirada do mandril coloca-se a preforma num forno aquecido a
1500ºC que provoca a dilatação dos materiais. Através da diferença de
coeficiente de dilatação térmica consegue-se soltar o mandril da preforma e
a sua retirada. O próprio forno faz também o colapsamento da preforma
para torná-la cristalina e maciça.
Esse processo serve para a fabricação de fibras do tipo multimodo e
monomodo de boa qualidade de transmissão.
4.4 Processo VAD ( Vapour-phase Axial Deposition )
É um processo semelhante ao OVD por ocorrer deposição externa, porém o crescimento da pré-forma é feito de forma axial e não longitudinal, permitindo um processo contínuo de fabricação.
Neste processo, a casca e o núcleo são depositados, mas no sentido do
eixo da fibra (sentido axial). Neste processo utilizam-se dois queimadores
que criam a distribuição de temperatura desejada e também injetam os
gases (reagentes). Obtém-se assim uma preforma porosa que é cristalizada
num forno elétrico à temperatura de 1500°C. Este processo obtém preforma
com grande diâmetro e grande comprimento, tornando-o extremamente
produtivo.
Método VAD
MÉTODO ROD-IN-TUBE
Este método consiste na inserção de vidros na forma de bastão e tubo
simultaneamente no forno de puxamento, o qual efetua o escoamento dos
materiais ao mesmo tempo. Assim, obtem-se fibras degrau do tipo sílica-
sílica (casca e núcleo de vidro) e variações como fibras de sílica-silicone
(esticando-se apenas o bastão, que forma o núcleo e aplicando-se o
silicone, que forma a casca) e fibras bundle (esticando-se apenas o bastão,
que forma o núcleo, com a casca formada pelo próprio ar), as quais são
utilizadas em iluminação.
Torre de puxamento
Depois do teste da pré-forma, ela é colocada em uma torre de puxamento
conforme a imagem abaixo:
Torre de puxamento
Coloca-se a pré-forma em um forno de grafite (com temperaturas de 1.900
a 2.200 Celsius ). O vidro da pré-forma derrete e cai por ação da gravidade.
Conforme cai, forma um fio que é direcionado, pelo operador da torre, a
um micrômetro a laser e para recipientes onde receberá camadas de sílica
protetora. Um sistema de tração vagarosamente puxa a fibra da pré-forma.
Como todo o processo é controlado por computador, o micrômetro a laser
controla permanentemente o diâmetro da fibra fazendo com que o sistema
de tração puxe mais lentamente ou mais rapidamente a fibra da pré-forma.
Geralmente as fibras são puxadas a velocidades entre 10 e 20 m/s. O
produto final, ou seja, a fibra óptica é enrolada em carretéis.
Fabricação de fibras de plástico
A fabricação de fibras de plástico é feita por extração. As fibras ópticas
obtidas com este método têm características ópticas bem inferiores às de
sílica, mas possuem resistências mecânicas (esforços mecânicos) bem
maiores que as fibras de sílica. Têm grandes aplicações em iluminação e
transmissão de informações a curtas distâncias e situações que oferecem
grandes esforços mecânicos às fibras.
Testes das fibras puxadas
Os testes mais comuns que os fabricantes de fibras realizam são: tensão
mecânica, índice de refração, geometria, atenuação (perdas), largura de
banda, dispersão cromática, temperatura de operação, perdas dependentes
da temperatura de operação, habilidade de condução de luz sob a água.
Depois que os carretéis de fibras passam pelos testes de qualidade e são
aprovados eles serão vendidos a empresas que fabricam cabos.
Referências Bibliográficas
Fibra óptica Teoria de Redes de Comunicação,Editora: Ericsson Network Technologies
| ISBN: N \\ A | Edição 2002
BARBOSA Waleska Paes de Barros, PORTES Marcelo de Albuquerque, PORTES
Márcio de Albuquerque - Introdução a Fibras Ópticas
GOMES Diego Barcelos, CUNHA Guilherme Rodrigues – Fibra óptica
TORRES, Gabriel – Fibra Óptica, 1° edição
http://www.linhadetransmissao.com.br/tecnica/fibraoptica_metodos_de_fabricacao.htm,
dia 30/03/2011
www.apostilando.com/download.php?cod=2400&categoria=Redes , dia 30/03/2011
http://www.lucalm.hpg.ig.com.br/fabricacao.htm, dia ,30/03/2011
http://www.inova.unicamp.br/inventabrasil/csuzik.htm ,dia 30/03/2011
http://pt.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica , dia 30/03/2011
http://www.netcommunications.com.br/files_pub/publicacoes_fo.phped http://www
educar.sc.usp.br , dia 03/04/2011
http://pt.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica#Funcionamento, dia 03/04/2011
http://knol.google.com/k/fabrica%C3%A7%C3%A3o-de-fibra-%C3%B3ptica# , dia 03/04/2011
http://www.linhadetransmissao.com.br/tecnica/fibraoptica_metodos_de_fabricacao.htm, , dia 03/04/2011www.apostilando.com/download.php?cod=2400&categoria=Redes , dia 03/04/2011http://www.lucalm.hpg.ig.com.br/fabricacao.htm , dia 03/04/2011http://www.inova.unicamp.br/inventabrasil/csuzik.htm , dia 03/04/2011http://pt.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica , dia 03/04/2011http://www.netcommunications.com.br/files_pub/publicacoes_fo.php, dia 03/04/2011