Optoeletrônica: A invasão da Luz

No princípio era a eletrônica. Desde o século XIX, quando os físicos elaboraram as primeiras teorias sobre o eletromagnetismo, o mundo se ergueu apoiado na energia do movimento dessas minúsculas partículas que habitam os átomos. Os elétrons fizeram funcionar válvulas de rádio, lâmpadas elétricas, motores. Por fios de cobre levaram de casa em casa sinais de voz em telefones e energia para acionar os novos aparelhos. Depois, transportaram informações dentro dos chips dos computadores. Em suma, o domínio da eletrônica na tarefa de sustentar a civilização contemporânea foi absoluto – até que a luz se atravessou no seu caminho. De fato, onde antes só havia elétrons, começam a aparecer pulsos luminosos, os fótons. É a época da afirmação da optoeletrônica, uma nova tecnologia que já se manifesta da telefonia à computação. “Optoeletrônica é a interação entre radiação luminosa e matéria, entre fótons e elétrons”, resume o físico Antônio Carlos Bordeaux Rego, chefe do laboratório que pesquisa o assunto na Telebrás, em Campinas. A interação entre eletricidade e luz pode ser a porta aberta para um caminho verdadeiramente revolucionário – os computadores óticos. Em seu interior não haverá corrente elétrica viajando através dos chips, mas pulsos de luz emitidos por laser, viajando por guias óticos e transportando informações a velocidades até 1 milhão de vezes maiores que as dos computadores eletrônicos.

Esse é o sonho de pesquisadores de vários países, como o engenheiro americano Alan Huang, que trabalha nos laboratórios da multinacional AT & T Bell, em Nova Jersey, na tentativa de construir um chip ótico. A corrida pelo domínio dessa tecnologia passa também pelo Japão, onde foi formado um pool liderado por onze grandes empresas a fim de acelerar as pesquisas. Na Escócia, o cientista Desmond Smith, da Universidade Heriot-Watt, de Edimburgo, trabalha num dos maiores projetos de computador ótico do mundo.

E, no Brasil, o avançado laboratório do centro de pesquisas da Telebrás, em Campinas, desenvolve um circuito optoeletrônico integrado – a última palavra em matéria de telecomunicações- para aproveitar as melhores qualidades tanto da luz como dos elétrons a fim de aumentar a capacidade de transmissão de informações. O funcionamento de um dispositivo laser é um típico exemplo dessa tecnologia (SUPERINTERESSANTE número 1 , ano 2 ). Uma descarga elétrica excita os elétrons de algum material semicondutor, que absorve e depois emite fótons ou pulsos de luz. Pela eletricidade, produz-se assim uma luz bem-comportada – emitida numa única freqüência e direção e ainda com coerência, isto é, todas as ondas partem ao mesmo tempo. Por isso, ao contrário da dispersiva luz de uma lâmpada, o laser serve para transportar informações.

Uma onda de luz é igual a qualquer outra onda eletromagnética – de rádio ou TV, por exemplo -, mas tem como característica a freqüência muito mais alta. É justamente isso que lhe dá o poder de transportar mais dados. Daí tornar-se a tecnologia ótica, senão uma alternativa capaz de aposentar a eletrônica, ao menos um complemento poderoso à utilização dos elétrons. além de ser mais rápida, a onda de luz é formada por pulsos de energia luminosa que não possuem carga ou matéria. Em condições normais, um raio de luz não interfere em outro – basta ver os fachos de duas lanternas que se cruzam sem se desviar de suas trajetórias.

Os elétrons, ao contrário, são partículas com carga e massa que interagem uns com os outros. Quando um sinal elétrico é transportado num fio de cobre, os elétrons vão se chocando pelo caminho, produzindo calor e dispersando o sinal original. Nas cerâmicas supercondutoras, a temperaturas ainda muito baixas, os elétrons viajam sem colidir, não havendo portanto perda de energia. As trombadas e interações entre os elétrons acarretam dois problemas básicos nos equipamentos modernos. O primeiro diz respeito ao chamado ruído de comunicação. Distribuídos pelos subterrâneos das cidades, os fios de telefone podem eventualmente passar perto do motor de uma máquina em uma obra qualquer. O campo eletromagnético ali criado é suficiente para perturbar os sinais telefônicos e levar ao aparelho, além das vozes, quaisquer outros ruídos.

O mesmo acontece quando fios muito próximos são atingidos pela água da chuva: os sinais se misturam devido à ligação formada pela água e o que se ouve é linha cruzada. A segunda grande limitação da eletrônica está dentro dos computadores. Nos chips, ou seja, nas minúsculas centrais de processamento de dados, a informação viaja a bordo dos elétrons, criando uma linguagem lógica que se baseia na passagem, ou não, da corrente elétrica. O trânsito dos elétrons a altas velocidades dentro dos chips gera calor. Se não fossem dotados de sistemas de refrigeração, os supercomputadores, que trabalham com extraordinária rapidez, teriam seus chips derretidos, tamanho o calor produzido.

“Estamos chegando ao limite de integração possível num chip”, nota o físico José Mauro Leal Costa, diretor de tecnologia da empresa ABC Sistemas, de São Paulo, responsável pela implantação do projeto brasileiro de fibras óticas. Com isso ele quer dizer que, se forem colocados mais circuitos nos atuais chips de silício, ou os elétrons acabarão se misturando devido à proximidade, ou o chip se desintegrará de tão quente. Mas há luz no fim do túnel – literalmente. Através das fibras óticas, a luz do laser é capaz de transportar muito mais informações, sem sofrer interferências nem produzir calor. Os circuitos apenas óticos teriam a desvantagem do tamanho: eles não seriam tão pequenos e compactos quanto os eletrônicos, porque a luz se dispersa mais do que elétrons e assim acaba ocupando mais espaço.

Mas as possibilidades da luz, quando aplicadas às telecomunicações, para começo de conversa acabam com os congestionamentos. Um cabo de plástico carrega em quatro fibras óticas tão finas como um fio de cabelo a mesma quantidade de informações que um cabo com 4 mil pares de fios de cobre. E, como os fótons não se metem uns com os outros nem sofrem interferências, pode chover canivete que as linhas telefônicas não se cruzam. Desde a criação da fibra ótica, patenteada em meados da década de 50 (SUPERINTERESSANTE número 7, ano 3 ), passando pela invenção do laser em 1960, a comunicação ótica foi aperfeiçoada até ser comercialmente implantada no final da década de 70 nos Estados Unidos e logo em seguida no Brasil. Por enquanto, ainda há muito elétron na vida da fibra ótica. As linhas de telefone funcionam da seguinte maneira: o usuário faz a chamada, o sinal elétrico chega à central telefônica e entra num aparelho de laser, que o transforma em luz. A luz embarca então na fibra ótica e viaja até seu destino, que pode ser uma cidade a cerca de 500 quilômetros de distância.

Ali, na central telefônica, a luz entra num fotodetector, é convertida novamente em sinal elétrico e chega ao destinatário por fios comuns. É como se a informação tomasse um ônibus para sair da cidade, entrasse num trem expresso ultra-rápido onde cabem milhões de passageiros e na outra cidade voltasse a tomar um ônibus convencional para chegar ao destino. É apenas questão de tempo e viabilidade econômica levar o trem até a porta da casa do passageiro, ou seja, dotar os aparelhos telefônicos de lasers e fotodetectores. Durante o trajeto da luz pela fibra, sempre que o sinal enfraquece, é convertido em sinal elétrico, depois amplificado, convertido em luz novamente para então continuar seu caminho. Mas já começam a surgir amplificadores que atuam externamente sobre a luz, dispensando as conversões elétricas. Com isso, a qualidade e a confiabilidade do sistema ficam bem maiores.

O primeiro sistema ótico brasileiro foi instalado em 1982 no Rio de Janeiro entre Jacarepaguá e Cidade de Deus. De lá para cá, a substituição dos cabos de cobre por fibras óticas foi calcada nos atributos da luz: mais informação em menos espaço, sinal mais puro e baixo custo.

As fibras permitem que viajem por elas não apenas sinais de áudio, mas também de vídeo e dados de computador. Às vezes isso acontece de maneira combinada, como nos sistemas ISDN (Integrated Service Digital Network, ou rede digital de serviços integrados), responsável pelos videofones, videoconferências etc. Além disso, a luz ajudou a melhorar os bens de consumo eletrônicos. O melhor exemplo são os compact discs (CDs), nos quais as informações gravadas digitalmente são lidas mediante um laser semicondutor e um fotodiodo, que convertem os impulsos elétricos em sinais luminosos e vice-versa. Outros exemplos são as chamadas câmeras de vídeo CCD, digitalizadas, e os televisores de tela plana, em que o cristal líquido substitui os tubos de raios catódicos.

Como laser e computador podem falar a mesma linguagem digital, a comunicação entre rede e centrais fica mais ágil. Já existem espalhadas em grandes empresas americanas redes internas de fibras óticas. No Brasil, as centrais telefônicas de grandes cidades como Rio e São Paulo são interligadas por mais de 40 mil quilômetros de fibras instaladas para esse fim. A luz atravessa também os mares dentro do TAT-8, a primeira rede transoceânica de fibras óticas entre Estados Unidos e Europa.

Quando todos os meios de comunicação estiverem ligados por fibras óticas, o mundo ficará parecido com o projeto – ainda experimental e portanto de pouca viabilidade econômica – implantado no início da década na cidade japonesa de Higashi Ikoma e no balneário francês de Biarritz. Ali, o computador doméstico acessa facilmente qualquer central de telecompras ou de prestação de serviços. A televisão interativa permite que um usuário se comunique com a central ou com outro usuário, escolhendo, a partir de um cardápio, desde telejogos até programas educacionais. Toda comunicação livre de interferências eletromagnéticas é mais segura. Num avião comercial de grande porte, por exemplo, os comandos da cabine do piloto são ligados aos respectivos aparelhos por fios convencionais.

Não é improvável que a proximidade entre eles provoque um ruído na comunicação, resultando no envio de informações erradas, como o destravamento de um trem de pouso. Se os comandos forem interligados por fibras óticas, o problema desaparece. O mais avançado bombardeiro construído recentemente nos Estados Unidos, que voou pela primeira vez em julho último, o multimilionário (70 bilhões de dólares ) e controvertido Stealth, chamado avião invisível por driblar a vigilância dos sistemas de detecção antiaéreos, faz uso extensivo das fibras óticas. Este é um dos fatores que o tornam imperceptível aos radares, por não produzir as ondas eletromagnéticas dos aparelhos eletrônicos. Na Medicina, a tecnologia das fibras óticas funciona como um periscópio dentro do corpo humano.

Embora não seja mistério há mais de vinte anos, a tecnologia da luz ainda engatinha quando se trata da revolução dos computadores óticos. Para começar, o tempo que dura o tráfego de informações dentro dos computadores é da ordem de nanossegundo (1 bilionésimo de segundo ou 10-9 segundos). Já o tempo da viagem de transmissão da luz que seria usado nos computadores variaria de picossegundo (1 trilionésimo de segundo ou 10-12 segundos ) a femtossegundo (1 quadrilionésimo de segundo ou 10-15 segundos ). Ou seja, chegaria a ser 1 milhão de vezes mais rápida. Ao aproveitá-la, pretende-se obter computadores que processem maior quantidade de informações de forma mais limpa (sem ruídos) e mais econômica. Essa evolução é nada mais que natural: afinal, os gigantescos computadores a válvula foram movidos depois a transistores e, como hoje, a circuitos integrados, sempre mais potentes.

O próximo passo em direção aos chips de máxima velocidade é a criação do dispositivo ótico integrado. É um circuito por onde transitam sinais de luz coordenados por sinais eletrônicos. A Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) acaba de desenvolver um arranjo de fotodetectores – o primeiro passo na direção do circuito – feito de silício. Mas o silício tem a desvantagem de produzir calor ao receber uma corrente elétrica. Por isso, a Telebrás, também em Campinas, a exemplo dos grandes laboratórios de pesquisa em fibra ótica do mundo, prefere trabalhar com compostos de nomes exóticos como arsenieto de gálio ou fosfeto de índio, que também transmitem luz.

Com esses materiais, ela já desenvolveu uma tecnologia própria de lasers semicondutores e fotodetectores para a indústria nacional de telecomunicações que têm o tamanho de um grão de sal. Num futuro computador optoeletrônico, o trabalho de construir a lógica binária do sim-não, que consiste no atributo da máquina em deixar ou não passar corrente, ainda seria feito por elétrons que interagem, ao passo que os guias óticos fariam o transporte das informações transmitidas pelo laser semicondutor. A maioria dos cientistas, como o físico Bordeaux Rego, da Telebrás, pensa que esse é o melhor caminho: os elétrons fariam o que bem sabem – ligar ou desligar – e os fótons entrariam com sua capacidade de transportar informação com maior rapidez. Mas o americano de origem chinesa Alan Huang, da AT & T Bell, sonha com a possibilidade de construir um computador totalmente ótico.

Só que a mesma propriedade que faz a luz parecer perfeita comporta-se como o feitiço que vira contra o feiticeiro na hora de construir a linguagem lógica. Ou seja, como os fótons não interagem, não podem se colocar em movimento ou parar uns aos outros, como fazem os elétrons, impedindo assim o liga-desliga dos chips eletrônicos. A Física diz que é possível criar um meio próprio onde os fótons interajam, mas nesse caso eles se misturariam tanto que seria difícil controlá-los. Para Alan Huang, isso não é empecilho. Ele está tão empenhado em seu projeto que chegou a passar dias a fio trancado no laboratório, equipado com forno de microondas, geladeira com freezer bem estocado e sacos de dormir para ele e seus doze colaboradores.

O computador idealizado por Huang – que por enquanto ainda é uma engenhoca de pouco uso prático – não teria fios, mas pulsos de laser que transportariam dados passando através de minúsculos interruptores óticos. O xis do problema é construir um interruptor que reaja à luz do laser e possa criar uma linguagem lógica a partir do claro-escuro. A equipe de Huang chegou a um interruptor feito de arsenieto de gálio, que responde a correntes elétricas tornando-se ou transparente, ou opaco. Mas não conseguiu fazê-lo manter a mesma propriedade quando estimulado por sinais de laser.

No mesmo laboratório, dois outros cientistas, David Miller e Jill Henry, vêm desenvolvendo há três anos o SEED ( Self Eletro-optic Effect Device ), um chip eletrônico que funciona quando estimulado também por fótons. Até hoje, porém, nenhum protótipo desse tipo que efetivamente funcione em larga escala foi construído ou testado. Os cientistas da Bell acham que vai levar anos até que um chip ótico tenha a mesma confiabilidade e eficiência dos chips eletrônicos. Enquanto a luz total não vem, a optoeletrônica vai mandar nesse jogo, casando as melhores qualidades da ótica e da eletrônica, como já está acontecendo nas telecomunicações e na indústria eletrônica de consumo.

Para saber mais:

A febre do fio maravilha

(SUPER número 11, ano 10)

Petisco para peixes

O primeiro cabo transoceânico de fibras foi instalado em dezembro do ano passado, ligando Tuckerton, na costa leste dos Estados Unidos, a Widemouth, no sul da Inglaterra, e a Penmarch, no noroeste da França. Com 6 700 quilômetros de extensão, o cabo, chamado TAT-8, transmite simultaneamente 40 mil conversas telefônicas, quase cinco vezes mais do que seu antecessor de cobre. Mas a construção e a instalação, que duraram sete anos, foram menos problemáticas do que manter o cabo a salvo dos tubarões, que adoram morder cabos de fibras óticas.

O problema já havia sido detectado em 1985, quando cabos de fibra ótica entre as ilhas Canárias e Tenerife, no Atlântico, pararam de funcionar trinta dias depois de instalados, vítimas de mordidas dos tubarões. Os cabos anteriores, feitos de cobre e cobertos de metal, tinham o diâmetro de alguns metros e por isso não serviam de petisco. Já os de fibra ótica têm apenas 30 centímetros de diâmetro e podem ser estraçalhados. Por isso, antes de instalados no fundo do mar, são revestidos de aço coberto de polietileno. Quando o material foi testado, os cientistas encomendaram um mecanismo que imita a ação de uma arcada dentária, parecido com que foi construído para o filme Tubarão, instalaram-no numa piscina e deram-lhe vários cabos para mastigar, até chegar à solução impermeável a quaisquer dentes.

Por dentro do corpo

Além de revolucionar a comunicação e os computadores, as fibras óticas estão permitindo aos médicos ver as doenças com os próprios olhos dentro do corpo humano. Através de pequenas incisões, as fibras são introduzidas nos caminhos naturais do organismo e vasculham pulmões, intestinos, coração e outros órgãos antes inacessíveis. Essa viagem interior, que até há poucos anos só existia em história de ficção científica, é feita pelo fibroscópio, um aparelho que consiste em dois feixes de fibras óticas, um para iluminar o tecido corporal e outro para transmitir a imagem.

A ponta do primeiro feixe á alimentada com uma fonte de luz. A luz percorre as fibras óticas e ilumina o órgão que o médico quer ver. Uma lente capta então a luz refletida e a focaliza no feixe de transmissão, em que cada fibra corresponde a um ponto da imagem. A imagem completa aparece num visor, podendo ser gravada por uma câmera ou mostrada num monitor de TV. Olhando pelo fibroscópio, o médico pode, por exemplo, detectar pólipos nos intestinos, depois removidos por diminutos instrumentos cirúrgicos ou por feixe de laser.

Sensores de fibras óticas também são capazes de fazer análises do sangue do paciente no próprio consultório, tornando o processo mais rápido. Pequenas cirurgias são igualmente possíveis, com a vantagem de dispensar o corte de tecidos saudáveis – o feixe de laser transportado pelas fibras óticas cauteriza veias em hemorragias intestinais e vaporiza placas e coágulos sanguíneos em artérias cardíacas.