A Fibra Ótica

Sílvio Atanes

Desenvolvida há 34 anos para auxiliar a Medicina, transporta a luz como água em canos e está revolucionando as telecomunicações

A luz caminha sempre em linha reta. Nisso acreditavam os membros da Royal Society, a academia de ciências britânica, até 1870, quando viram acontecer algo que Ihes parecia impossível. De fato, naquele ano, em Londres, o físico John Tyndall (1820-1893) mostrou a seus incrédulos colegas que a luz podia fazer uma curva. Ele colocou uma lanterna dentro de um recipiente opaco cheio de água, com um orifício num dos lados, pelo qual é água escorria. A luz acompanhava a trajetória curva da água, como se tivesse sido dobrada. Na verdade, a luz se propaga em ziguezague, saltando de um lado para o outro dentro do fio de água, numa série de reflexões internas.
A descoberta de Tyndall, entretanto, só começou a ter utilidade prática oito décadas mais tarde, em 1952, graças às pesquisas do físico indiano Narinder Singh Kapany, então com 25 anos. Seus experimentos o levariam à invenção da fibra ótica, o revolucionário instrumento de telecomunicações que talvez venha ainda a substituir os próprios circuitos eletrônicos nos computadores. Kapany aprofundava seus estudos sobre o fenômeno da reflexão total interna, pjira obter o PhD (doutorado) em Otica na Universidade de Londres, onde era já professor-assistente.
Seu interesse pelo assunto começara ainda no colégio, quando aprendeu a verdade convencional de que a luz só se propafa em linha reta. “Diziam que era impossível enxergar alguém que dobrou a esquina”, lembrou Kapany recentemente, numa entrevista a SI, “ mas nunca me conformei com isso.”
Reflexão total, o tema de Kapany, é o fenômeno ótico que ocorre na fronteira de dois meios transparentes, como ar e água, quando um raio de luz vindo de um meio com alto índice de refração (que indica o quanto a luz é desviada de sua trajetória original), por exemplo, a água, incide num meio com baixo índice de refração, como o ar. Se o ângulo de incidência da luz for maior que um certo ângulo tido como limite que é constante para cada material, o raio se refletirá com o mesmo ângulo. Caso contrário, passará para o outro meio. Kapany, que também trabalhàra cõmo projetista de lentes, começou a estudar o fenômeno em prismas, depois em cilindros de vidro transparente. O que ele buscava na realidade era uma forma de aprisionar a luz.
Para isso, nas suas experiências, passou a empregar dois cilindros, um dentro do outro. Depois trocou o cilindro externo por uma película de vidro. O físico percebeu que, se essa película tivesse um índice de refração muito inferior ao do cilindro, funcionaria como um espelho, concentrando toda a luz. O truque dá certo porque quanto maior a diferença entre os índices de refração, menor o ângulo limite. Com um ângulo limite baixíssimo, toda a luz que entrasse no cilindro seria refletida para praticamente todos os ângulos de incidência.
Dessa forma, Kapany engendrou sua armadilha para a luz. Uma vez dentro do clindo, ela só saía pela outra extremidade. Mesmo com tubos curvos, a luz fluía como água, realizando milhares de reflexões sucessivas, sempre no mesmo ângulo. Para multiplicar os usos dos tubos, bastava estreitar os canos de luz, de cerca de um palmo de diâmetro, às dimensões de um fio de cabelo. Achar um material com as características do vidro e a maleabilidade de fios de cobre não foi muito difícil: afinal, as fibras de vidro já eram conhecidas desde o século XVIII e até então vinham sendo usadas como isolante térmico. Por isso, foram suficientes algumas adaptações no processo de fabricação para conseguir os indices de refração desejados. Assim após três anos de pesquisas, em 1955, Kapany cunhou a expressão fibra ótica — e patenteou a invenção.

Agrupadas em feixes, as fibras tornam-se um preciso transmissor de imagens — isto é, absorvem a luz melhor que qualquer sistema ótico, como lentes ou prismas. No ínicio Kepany pensou que seu uso ficaria restrito à Medicina, no aperfeiçoamento do endoscópio, instrumento utilizado para observar o interior do corpo humano. Em 1966, porém, o físico chinês Charles Kao, pesquisador dos Laboratórios Standard, de Harlow, Inglaterra, teve a idéia de usar fibras óticas para a transmissão de chamadas telefônicas. Ele mostrou que cabos de fibras óticas, embora muitíssimo menores que os cabos convencionais, têm uma capacidade muito maior de transmissão de dados — também de telex, televisão, computador etc. — a um custo muito menor. Além disso, como não conduzem eletrecidade, ficariam imunes a interferências elétricas exteriores. A luz que os cabos óticos transmitem é gerada normalmente por um diodo emissor de luz (led, em inglês) ou por um tubo de raios laser.
Controlando-se a emissão da luz, é possível criar códigos digitais para transmitir informações. Assim, a linguagem binária, como a dos computadores, composta dos algarismos (dígitos) zero e um, é substituída pelo código luz/ausência de luz. Informatizada dessa forma, uma fibra ótica é capaz de transmitir até 20 mil conversas telefônicas simultâneas, quarenta vezes mais do que um fio de cobre. A produção da fibra ótica principia com a transformação da sílica, retirada de rochas de quartzo, em varetas ocas de sílica pura. Um tubo de sílica de 12 milímetros de diâmetro e 1 metro de comprimento produz até 2 mil metros de fio com 125 micra (1/8 de milímetro) de diâmetro, um pouquinho mais gordo, por assim dizer, que um fio de cabelo. Tão transpareI!te é o vidro usado no miolo das fibras, que seria possível construir com ele uma janela de mais de 8 quilômetros de espessura — e ainda assim transparente.

Além de melhorar extraordinaria¬mente as telecomunicações, as fibras óticas são usadas também nu¬ma variedade de equipamentos, co¬mo automóveis, mísseis, blindados, satélites, fiação de computadores, eletrodomésticos e ainda em microeletrônica, engenharia genética, foto¬rafia etc. O Brasil, com tecnologia desenvolvida a partir de 1973 pela Universidade de Campinas (Unicamp), em conjunto com a Telebrás, produz cerca de 20 mil quilômetros de fibras por ano. Atualmente existem 15 mil quilômetros de cabos óticos para telecomunicações instalados apenas nos grandes centros brasileiros. Narinder Kapany, hoje com 61 anos e naturalizado americano, mora em Woodside, Califórnia, onde é dono de uma indústria de equipamentos ótico-eletrônicos. Um fecho adequado para quem começou duvidando da sabedoria convencional e entortou a luz. E, sim, ele conseguiu o título de doutor em Ótica.

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