1. A internet global está conectada pela “luz”

Quando você assiste a um vídeo do YouTube em um servidor americano pelo seu smartphone, você acha que esses dados passam por um satélite artificial no espaço? Na verdade, cerca de 99% das comunicações da internet no mundo viajam através de “cabos de fibra óptica” instalados no fundo do oceano, cruzando literalmente o mar à “velocidade da luz”.

Fios de vidro com a espessura de um fio de cabelo transportam enormes quantidades de dados de vários terabytes por todo o mundo em um instante. A mudança de paradigma das antigas comunicações por cabo de cobre (sinais elétricos) para as comunicações por fibra óptica (sinais ópticos) foi a revolução de infraestrutura mais importante na moderna sociedade da informação.

A luz tem a propriedade de viajar em linha reta. Então, por que a luz não vaza dos cabos curvos no fundo do mar e chega a milhares de quilômetros de distância?

2. Refração e a física da “reflexão total”

A resposta está em um fenômeno óptico chamado “reflexão total interna (Total Internal Reflection)”, que aprendemos nas aulas de física do ensino médio.

Quando a luz passa da água para o ar, ou do vidro para o ar, como de um “material onde a velocidade da luz é mais lenta (índice de refração maior)” para um “material mais rápido (índice de refração menor)”, ocorre a “refração”, que curva a trajetória da luz na interface. Você já deve ter notado um fenômeno em que, ao olhar para a superfície da água do fundo de uma piscina de um certo ângulo, a paisagem externa não é visível e a superfície da água reflete o fundo da piscina como um espelho.

À medida que o ângulo em que a luz entra obliquamente (ângulo de incidência) aumenta, chega um momento em que a luz refratada se torna paralela à interface. Esse ângulo é chamado de “ângulo crítico”. Quando o ângulo de incidência excede esse ângulo crítico, a luz não vaza para fora, sendo 100% refletida na interface e retornando ao interior. Isso é a “reflexão total”.

Espelhos comuns refletem a luz usando metais como a prata, mas inevitavelmente alguns por cento da luz são absorvidos e perdidos. No entanto, a refletividade devido a essa “reflexão total” é de 100%, tornando-a o espelho definitivo sem nenhuma perda de energia.

3. Estrutura da fibra óptica: núcleo e casca

Para conter o princípio dessa reflexão total dentro do cabo, a fibra óptica é feita de um vidro de quartzo especial com uma estrutura de duas camadas.

1. Núcleo (centro): O caminho por onde a luz passa. Vidro com um índice de refração “ligeiramente mais alto”.
2. Casca (periferia): A camada que envolve o núcleo. Vidro com um índice de refração “ligeiramente mais baixo”.

  graph LR
    subgraph Interior_da_fibra_optica ["Interior da fibra óptica"]
        Light(("Luz laser")) -->|"Linha reta"| Core1["Núcleo (Alto índice de refração)"]
        Core1 -->|"Incidência acima do ângulo crítico"| Clad["Casca (Baixo índice de refração)"]
        Clad -->|"Reflexão total!"| Core2["Avança em zigue-zague dentro do núcleo"]
    end

Quando uma luz laser é disparada diretamente da extremidade do núcleo, ela viaja em linha reta dentro dele. Mesmo que o cabo seja curvo e a luz atinja a interface com a casca, ela o atinge em um ângulo oblíquo (ângulo raso acima do ângulo crítico), de modo que não vaza para fora da casca e causa uma “reflexão total”. Dessa forma, a luz é guiada por milhares de quilômetros até seu destino sem se perder, repetindo a reflexão total na interface entre o núcleo e a casca.

4. Modo monomodo e multimodo

As fibras ópticas são amplamente divididas em dois tipos, dependendo de seu uso.

Fibra multimodo O diâmetro do núcleo é um pouco mais grosso, cerca de 50 micrômetros. Como a luz viaja refletindo em vários ângulos no seu interior, existem vários caminhos (modos) para a luz. LEDs baratos podem ser usados como fonte de luz, mas a luz que viaja refletindo em ângulos chega ao destino mais tarde do que a luz que viaja em linha reta, fazendo com que o sinal fique borrado em longas distâncias. Portanto, ela é usada para comunicações de curta distância, como dentro de edifícios ou data centers.

Fibra monomodo O diâmetro do núcleo é afinado ao extremo, chegando a cerca de 9 micrômetros (tão pequeno quanto uma célula). Por ser tão fina, a luz não pode refletir diagonalmente e só consegue viajar em linha reta (um único modo) no centro da fibra. Requer um laser semicondutor muito caro, mas como a luz não se dispersa, ela é usada para comunicações de ultra-longa distância e ultra-alta velocidade de milhares de quilômetros através do oceano.

5. Por que “luz” em vez de cobre?

As razões pelas quais as fibras ópticas são tão valorizadas em comparação com os fios de cobre (comunicação elétrica) são esmagadoras.

1. Menos atenuação (alcança maiores distâncias) Os fios de cobre possuem resistência elétrica, o que faz com que os sinais desapareçam após alguns quilômetros. No entanto, o vidro da fibra óptica, com impurezas removidas ao extremo, possui uma transparência surpreendente, permitindo que a luz alcance distâncias de mais de 100 km.
2. Forte contra ruídos (impacto zero da indução eletromagnética) Os fios de cobre captam ruídos eletromagnéticos de campos magnéticos próximos, raios e outros cabos. No entanto, como a luz não é eletricidade, ela não recebe nenhum ruído externo.
3. Capacidade ultra-alta por meio da multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) A luz tem a propriedade de que “cores diferentes não se misturam”. Mesmo que os sinais de laser vermelho, azul e verde sejam transmitidos simultaneamente por uma única fibra óptica, eles podem ser claramente separados por cor usando um prisma (filtro) no lado receptor. Isso é chamado de “Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda”, o que permite um volume de comunicação de outra dimensão de vários terabits em um único cabo.

6. Conclusão: O mundo conectado por fios de vidro

Desde que a tecnologia de fabricação de vidro de quartzo de alta pureza foi estabelecida na década de 1970, as fibras ópticas continuaram a evoluir, cobrindo o planeta inteiro como vasos sanguíneos. Na raiz de suas impressionantes velocidades de comunicação está uma lei física simples e bela: a “reflexão total” da luz.

O fato de podermos enviar fotos nas redes sociais e fazer chamadas de vídeo em tempo real com amigos distantes se deve a esses finos fios de vidro que transportam continuamente partículas de luz, refletindo-as totalmente na escuridão profunda e fria do fundo do mar.