Fabricação da Fibra Óptica

Guilherme Mafra de Queiroz

E-mail: mafra665@hotmail.com

Rafael Teles

E-mail: rraffa@hotmail.com

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

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