A química que controla o caminho da luz: As fibras ópticas

Bem-vindo a mais um módulo que mostra as vantagens que o vidro oferece à nossa sociedade. Agora, é a vez das fibras ópticas, bora lá!

Você provavelmente está utilizando um notebook ou telefone conectado à internet. Embora normalmente esteja utilizando uma rede sem fio, a informação que se mostra no seu dispositivo em algum momento precisou ser guiada por fibras ópticas, mesmo como a imagem e o áudio que foram transmitidas durante uma aula virtual, reunião de trabalho ou a videochamada com uma pessoa querida que se encontra fora da cidade ou do país.

Para algumas pessoas, isso pode ser magia, afinal, são apenas fios de vidro transparentes, com diâmetros ligeiramente maiores do que os fios de cabelo humano! Essa transmissão de informação começa com algum sinal elétrico quando um dispositivo, como seu computador ou celular, tem informações para enviar. Um laser no seu roteador de internet emite esses sinais em forma de um feixe de luz e os envia rapidamente (velocidade da luz!) ao núcleo da fibra óptica de vidro. Uma fibra óptica convencional é basicamente formada por um núcleo e uma casca de vidro, chamadas de fibras núcleo-casca, as quais são protegidas do meio ambiente através de um revestimento primário, que não é mais do que uma fina camada de silicone ou acrilato. O núcleo é a parte de vidro mais interna da fibra óptica, por onde a luz é guiada, enquanto a casca, também de vidro, reveste o núcleo para minimizar perdas de sinal óptico guiado, conforme esquematizado na imagem ao lado. Como essa região do núcleo tem um índice de refração maior que da casca, a luz -que é radiação eletromagnética- viaja mais lentamente, e então, essa sinal luminosa é refletida internamente dentro do núcleo e mantido nele, sem permitir que escape para casca nem para fora da fibra óptica. Esse fenômeno é conhecido como Reflexão Interna Total e é fundamental para que a fibra óptica faça sua função: guiar luz por longas distâncias e carregar informações. Na produção dessas fibras, o índice de refração, responsável pela Reflexão Interna Total, é controlado através da composição química do núcleo da fibra óptica!

Portanto, o que permite que a informação viaje na fibra óptica por grandes distâncias é precisamente os elementos químicos utilizados na fabricação das fibras, tanto na sua casca, quanto no núcleo. A casca das fibras ópticas convencionais, ou também denominadas de fibras telecom por sua aplicação em telecomunicação, como a sua internet, é composta de sílica (SiO2). Os átomos da sílica interagem com a componente elétrica da radiação eletromagnética da luz, alterando a sua velocidade de transmissão no material. Quanto mais elétrons tem um elemento que compõe o material, mais a velocidade da luz é afetada e diminuída em comparação a sua velocidade de propagação no ar. É como imaginar que você precisa atravessar correndo um espaço com uma multidão de pessoas: quanto mais próximas elas estão umas das outras (análogo ao vidro com muitos elétrons), mais difícil e mais lenta será a sua passagem. Antigamente, os famosos “vidros cristais” eram conhecidos pelo seu exuberante brilho, o qual era aumentado pela inserção de átomos de chumbo (átomo pesado, cheio de elétrons) na sílica. Atualmente o chumbo é substituído por dióxido de titânio (TiO2) devido a sua toxicidade. Nas fibras ópticas o conceito utilizado é o mesmo: na composição do núcleo são adicionados óxidos de germânio (GeO2) ou fósforo (P2O5), os quais são mais pesados do que o silício e levam a um aumento discreto do índice de refração em comparação ao índice da casca (SiO2 puro), mantendo a luz guiada dentro do núcleo da fibra óptica. Quanta informação para ser a luz guiada por aquele pequeno núcleo, não é? É a química controlando o caminho da luz!

Desde 1970, quando se produziu a primeira fibra óptica para comunicação, elas se tornaram um meio importantíssimo de conexão entre pessoas, cidades, países e, até mesmo, continentes! Fazendo uma analogia com o transporte terrestre, a fibra óptica seria como as estradas que limitam o trajeto a ser feito, a luz é como o meio de transporte que transita por elas, e os dados são os passageiros, que viajam codificados como sinais ópticos. Nessas “rodovias”, os passageiros podem percorrer cerca de 200.000 km em apenas 1s, daí que você consegue escutar sons e ver imagens ao vivo mesmo do outro lado do mundo! Veja no mapa as fibras ópticas submarinas que conectam os países e continentes. O mapa completo pode ser acessado em https://www.infrapedia.com/app.

Além do uso em telecomunicação, a fibra óptica também pode ser aplicada em diversas outras áreas. Como é o exemplo no uso da medicina, em diagnósticos e tratamentos que envolvem transmissão de luz, ou na construção civil, através de sensores que chegam em locais de difícil acesso. Todas essas e demais aplicações vão demandar o uso de uma composição química específica para a fibra que permita a luz ser guiada através do seu meio, possuindo, para isso, altos índices de refração e uma transparência considerável naquele comprimento de onda específico, que mais uma vez vai depender dos elementos químicos utilizados na sua fabricação.