06 julho, 2008

Fabricação fibra óptica

Uma fibra óptica é constituída por dois vidros transparentes, dispostos coaxialmente: um vidro no cilindro interno, de índice de refração mais elevado, e um vidro de revestimento, de índice de refração mais baixo. Um raio luminoso, que penetra no cilindro interno da fibra por uma de suas extremidades, propaga-se longitudinalmente até a outra extremidade graças às reflexões totais que sofre na interface entre o vidro central e o vidro periférico.

A fabricação das fibras ópticas exige o emprego de vidros de alta pureza. As fibras destinadas às telecomunicações são geralmente fabricadas por procedimentos de reações, na fase de vapor, a parir de silício puro, ao qual são incorporados dopantes que permite obter o índice de refração desejado.

As fibras ópticas geralmente são agrupadas em feixes de fibras que contêm desde algumas unidades até vários milhões, dependendo da aplicação. Estes feixes podem ser flexíveis ou rígidos e transmitir luz, imagens ou informações. O comprimento das fibras é da ordem de grandeza do centímetro, nos feixes rígidos, e de vários quilômetros, no caso de guias de ondas ópticas. Os condutores de luz, geralmente flexíveis são protegidos externamente por uma bainha de plástico. São empregados em endoscopia, médica ou industrial, e ligados a sistemas optoeletrônicos, para a detecção de chamas ou para a leitura de cartões perfurados.

Se as fibras forem dispostas de tal modo que a posição de cada uma delas em relação as outras seja a mesma em cada extremidade de feixe, obtém-se então um condutor de imagem. Uma imagem formada em uma das extremidades do feixe é transportada ponto por ponto até a outra extremidade. Os feixes de fibras curtas são enrijecidos por compactação a quente ou pelo emprego de uma resina endurecedora. São empregados como anamorfosadores de luz ou de imagem.

As placas de fibras ópticas são constituídas de um número muito grande de fibras dispostas paralelamente ao eixo de um cilindro. Tais placas, apresentando ambas as faces planas e polidas, permitem transportar imagens de um plano para outro. Podem ser fabricados, assim, fundos de tubos catódicos e amplificadores de imagens. As fibras ópticas podem ser utilizadas como condutores de informações.

Uma ligação óptica compreende: um emissor, que transforma um sinal elétrico multiplexado, freqüentemente numérico, em sinal luminoso; uma fibra óptica protegida e separada de outras fibras dentro de um cabo óptico; um receptor, que restitui o sinal elétrico na chegada; e, eventualmente , repetidores intermediários. Os conversores eletroópticos utilizados são constituídos por semicondutores dopados ou por dispositivo dopados ou por dispositivos mais complexos.

Para ligações urbanas ou interurbanas curtas, ou para a televisão com distribuição por cabo, são empregadas fibras multimodais, que permitem a propagação de ondas segundo um grande número de modos eletromagnéticos diferentes , com um comprimento de onda portadora de 0,85µm. para ligações de distância superiores, são empregadas fibras que não admitem, em princípio, mais de modo eletromagnético, com comprimento de onda portadora de 1,2µm.

As fibras ópticas podem servir também como captadores. A grandeza a ser medida age, por efeito físico (deformação) ou por efeito eletromagnético, sobre uma característica da luz coerente emitida por uma fonte (laser) e que se propaga em uma ou duas fibras.

Para aperfeiçoar a características, mecânicas, geométricas e ópticas de uma fibra óptica sua fabricação se efetua, habitualmente, em processos de varias etapas. Além do mais, esta forma de fabricação permite uma produção em grandes quantidades, rápida e rentável, atualmente são premissas fundamentais para as telecomunicações ópticas.

Os materiais básicos usados na fabricação de fibras ópticas são sílicas puras ou dopada, vidro composto e plástico. As fibras óptica fabricadas de sílica pura ou dopada são as que apresentam as melhores características de transmissão e são as usadas em sistemas de telecomunicações. Todos os processos de fabricação são complexos e caros. A fibra óptica fabricadas de vidro composto e plástico não tem boas características de transmissão (possuem alta atenuação e baixa faixa de banda passante) e são empregadas em sistemas de telecomunicações de baixa capacidade e pequenas distâncias e sistemas de iluminação. Os processos de fabricação dessas fibras são simples e baratos se comparada com as fibras de sílica pura ou dopada.




Fabricação de uma preforma de vidro

Existem vários métodos para a fabricação de uma pré-forma para fibras ópticas. Descreveremos aqui o Método de Deposição de Vapores Químicos. 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. 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. A fabricação da pré-forma é totalmente automatizada e leva horas para ser completada.

Depois que a pré-forma esfria passa por testes de qualidade, garantindo a pureza dos vidros fabricados.



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.

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.




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 casa, 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.



VAD (Vapour Axial Deposition)

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 1500oC. Este processo obtém preforma com grande diâmetro e grande comprimento, tornando-o extremamente produtivo.



Puxamento de uma preforma em uma torre de puxamento.

Depois do teste da pré-forma, ela é colocada em uma torre de puxamento conforme a imagem abaixo:



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.

DOUBLE CRUCIBLE (Duplo Cadinho)

Este processo é semelhante ao anterior, mas os vidros vêm na forma de bastão, os quais são introduzidos no forno do puxamento, que contém dois cadinhos. Neste processo, a geometria dos vidros alimentadores não é tão importante como no processo anterior. Neste processo consegue-se a variação do índice de refração através da migração de íons alcalinos que mesclam a concentração dos vidros interno e externo.

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.

PS.: Caros, peço desculpas pela bibliografia que não tenho mais. Esse conhecimento não é meu, foi retirado de alguns sites da internet que não possuo mais os link's.
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