Lasers, luz e comunicações

Do correspondente de “Despertai!” nas Ilhas Britânicas

LUZ — quão preciosa e vital é para o homem! Nossa própria vida depende dela, pois sem a luz da grande usina de força do sistema solar, o sol, toda vida na terra finalmente cessaria. Sem dúvida devido à grande beleza da luz, com sua infindável variedade de cores e formas, o homem, desde os tempos mais remotos, tenta obter uma compreensão mais profunda de sua natureza. Junto com isto, procura vários modos de produzir e usar a luz em maior benefício próprio.

De todas as suas idéias, uma das mais fascinantes tornou-se realidade na década de 60, cativando a imaginação até mesmo de muita gente alheia ao mundo científico. Foi a invenção do laser.a O primeiro laser operado com sucesso, em 1960, empregou o rubi como material de trabalho e produziu um feixe vermelho, mas atualmente podem ser usados muitos materiais diferentes: bióxido de carbono, água, hélio, argônio — cada um produzindo sua própria cor de luz caraterística.

Como é que a luz produzida por um laser difere da de outras fontes? E que aplicações práticas têm agora os lasers?

Essencialmente, os lasers possuem duas propriedades que nenhuma outra fonte de luz tem na mesma medida. Em primeiro lugar, o laser não espalha sua luz em muitas direções, assim como faz uma lâmpada elétrica, mas a confina num feixe estreito, intenso, semelhante a um lápis fino. Em segundo lugar, a própria luz é extremamente pura ou “coerente” — assim como emitir uma única nota pura num instrumento musical ao invés de muitas notas, simultaneamente.

Em razão destas propriedades especiais, os lasers encontram muitas aplicações em diversos campos. A propriedade direcional do laser é usada para se medir a distância entre a lua e a terra por se dirigir um feixe, de um telescópio de 152 centímetros. A distância foi medida com uma diferença de menos de 25 milímetros! A alta intensidade da luz torna os lasers úteis para cortar e soldar materiais. Pode-se cortar papel, pano e até mesmo diamantes, e grossas placas de aço podem ser soldadas bem rápido por meio de poderosos lasers de bióxido de carbono. No campo da medicina, já estão disponíveis bisturis de laser. Podem ser operados com mais precisão do que o bisturi comum e têm a vantagem adicional de que o próprio feixe coagula o sangue, deste modo dispensando as pinças cirúrgicas. Nos olhos, a soldagem das retinas descoladas agora é rotineiramente realizada por meio do laser de argônio, e já foram realizadas, de forma experimental, delicadas operações das cordas vocais.

Mas está surgindo agora talvez um dos usos mais excitantes e amplos dos lasers e de outros tipos de fontes de luz. Os cientistas já realizaram sistemas de comunicação por ondas de luz. Já estão em operação protótipos em que sinais de telefonia e televisão podem ser enviados por meio de luz que percorre fibras de vidro, ao invés de se usar a eletricidade em cabos. De fato, espera-se que, no começo da década de 80, ampla aplicação dos sistemas de comunicação por ondas luminosas esteja sendo usada para transmissões telefônicas.

Como é possível se comunicar por meio da luz? Que vantagens este método oferece e como afetará nossa vida diária? Examinemos em detalhes como se desenvolveram os sistemas de ondas de luz. Primeiro, precisamos considerar brevemente a própria natureza da luz para vermos que, em certos aspectos, é muito semelhante às ondas já usadas comumente com fins de comunicação.

A Natureza da Luz

Em 1864, James Clerk Maxwell, um físico escocês, foi bem sucedido em combinar as leis da eletricidade e do magnetismo. Descobriu que, quando combinadas, prediziam a existência de ondas de vários tipos. Uma destas foi identificada como luz, mas outras, até então desconhecidas, foram descobertas posteriormente e agora são conhecidas como ondas de rádio, ondas de radar e raios X, todas invisíveis.

A teoria de Maxwell provou que todos os diferentes tipos de ondas, incluindo a luz, são de natureza similar; todas consistem em forças elétricas e magnéticas que vibram e oscilam. O que faz a diferença entre, digamos, a onda de luz e a onda de rádio é apenas a velocidade ou “freqüência” das oscilações. Na onda de luz, as forças vibram uns 100 milhões de vezes mais rápido do que na onda de rádio típica.

Deste modo, assim como uma onda de rádio pode transportar sinais de música e imagens para o rádio e a televisão, a onda de luz pode ser usada para fazer o mesmo por se aplicarem técnicas e princípios semelhantes. Mas, visto que sua freqüência é tão rápida, a luz, quando coerente, é teoricamente muito superior. Tem a capacidade potencial de transportar vasta quantidade de informações, muito mais do que pode uma onda de rádio. Foi a esperança de se materializar esta possibilidade que moveu os cientistas a investigar os sistemas de comunicação por ondas de luz após a invenção do laser.

Transmitir a Luz

Um dos primeiros grandes problemas encontrados para desenvolver um sistema prático foi o da transmissão da fonte para os receptores. Logo se deram conta de que enviar um raio laser diretamente pela atmosfera livre (como se faz com as ondas de rádio) não era nem confiável nem prático. Nas longas distâncias, a neblina, a chuva, as nuvens ou a neve podem dispersar ou bloquear o raio, mas mesmo em tempo limpo as variações de temperatura na atmosfera podem refratar ou curvar o raio desviando-o de seu curso. Além do mais, haveria necessidade de espelhos alinhados com precisão para que o raio fizesse curvas e para que entrasse e saísse de prédios.

Em 1966, dois engenheiros britânicos, K. C. Kao e G. A. Hockham, trabalhando na “Standard Telecomunications Laboratories”, na Inglaterra, sugeriram uma solução melhor para o problema. Já se sabia, por muitos anos, que a luz pode ser “conduzida” ou guiada através de fibras de vidro tão finas quanto um cabelo humano, assim como uma corrente elétrica é conduzida por um fio. Nesse tempo, contudo, o vidro do qual eram feitas as fibras era deficiente. Dispersava e absorvia a luz a tal ponto que se perdia metade da potência depois de a luz ter percorrido uns 3 metros de fibra. Kao e Hockham sugeriram que caso se conseguisse grande melhora na qualidade do vidro poderia ser possível usar fibras de vidro para transportar luz por muitos quilômetros.

Com base nesta idéia, as empresas “Corning Glass Works” e “Bell Laboratories”, dos EUA, a “Nippon Sheet Glass Company”, do Japão, e vários grupos de pesquisa da Grã-Bretanha voltaram ao mesmo tempo sua atenção para novos métodos de fabricar fibras. O primeiro grande avanço tecnológico se deu em 1970, quando a “Corning” anunciou ter conseguido nova fibra de perda reduzida, feita de vidros quase que de sílica pura. Logo os outros grupos de pesquisa conseguiram outros progressos, explorando novos tipos de vidros e desenvolvendo novos métodos de fabricação de fibras. Hoje em dia, são produzidas rotineiramente fibras de vidro que podem guiar a luz por mais de 1,5 quilômetros, antes de perderem metade de sua potência, algumas das melhores fibras produzidas atualmente perdendo apenas um terço de sua luz nesta distância!

As fibras são feitas por serem removidas de vidro alimentado por um forno. Por serem enroladas em um tambor durante o processo, pode-se fazer fibras individuais de até vários quilômetros de comprimento. Na prática, põe-se na fibra um revestimento de plástico protetor e 100 ou mais fibras individuais são colocadas lado a lado com elementos de resistência adequada e um forro exterior para formar o “cabo de fibra ótica”. Estes cabos são agora o componente central dos sistemas de comunicação por ondas de luz, cada fibra do cabo formando um canal separado e distinto.

Como é que uma fibra de vidro guia a luz? A resposta está no princípio da física conhecido como “reflexão interna total”. Num ângulo agudo, o feixe de luz atinge a delimitação entre dois tipos de vidro, o vidro abaixo da delimitação sendo mais denso (opticamente). Parte da luz é transmitida e parte é refletida. (Veja o diagrama.) Se, contudo, o ângulo for feito suficientemente raso, toda a luz será refletida como se a delimitação fosse um espelho. Esta condição é chamada de “reflexão interna total”. A fibra tem um núcleo feito de vidro mais denso e uma cobertura de outro vidro. Os raios de luz em ângulos adaptavelmente rasos são então guiados pelo núcleo do vidro, sendo a luz refletida de um lado para o outro através da fibra.

Novos “Lasers”

Paralelamente à pesquisa de fibras durante a última década, dirigiu-se esforço para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de outros componentes do sistema. Os primeiros lasers eram volumosos e ineficientes. Havia necessidade de se fazerem novos lasers de longa duração e que fossem compatíveis com as fibras. Ademais, era necessário projetar métodos eficientes de codificar a luz com os sinais elétricos no transistor e descodificar nos receptores.

Atualmente, lasers diminutos, menores do que a cabeça de um alfinete, feitos de ligas de alumínio, gálio e arsênio, têm durações superiores a um ano. Produzem um feixe de luz quando uma corrente elétrica é “injetada” no mecanismo, e por isso são chamados de “lasers a injeção”. Diodos emissores de luz (“LED’s”), usados comumente em calculadoras eletrônicas, podem ser construídos de maneira mais simples, dos mesmos elementos. Embora sua luz não seja coerente, ainda têm grande importância para os sistemas de ondas de luz de baixa capacidade.

Em tais lasers e “LED’s”, o feixe de luz pode ser ligado e desligado eletricamente muitos milhões de vezes por segundo! Assim, semelhantes a um código Morse extremamente rápido, os sinais de telefonia e de televisão são enviados como uma seqüência codificada de flashes luminosos ou de “impulsos” através da fibra de vidro. Na terminal receptora, detectores de luz especiais, feitos de silicone, convertem de volta aos sinais elétricos a rápida corrente de impulsos luminosos.

Protótipos de Sistemas

O estágio a que progrediu a pesquisa é evidente pelo fato de que vários sistemas preliminares de ondas de luz já estão em uso e são feitos testes em muitos países com sistemas mais avançados — a Grã-Bretanha, os EUA, a Alemanha, a França e o Japão sendo os líderes entre eles.

Desde março de 1976, por exemplo, são enviados sinais de televisão para uns 34.000 espectadores na área de Hastings, Inglaterra, via um cabo de fibra ótica de 1,4 quilômetros de comprimento. Os sinais elétricos são transportados pela luz produzida por um diodo emissor de luz.

A empresa “Bell Laboratories” fez testes extensivos com um protótipo do sistema em suas instalações em Atlanta, EUA. O sistema empregou um laser de injeção e dois cabos de fibras óticas de 600 metros de comprimento, cada um contendo 144 fibras de vidro individuais. Com a luz enviada em cada fibra, o cabo tinha a capacidade de transmitir mais de 40.000 vozes simultaneamente! Os cabos foram instalados em tubos subterrâneos para simularam sistema telefônico típico de cidade. Nenhuma fibra se quebrou durante a instalação.

Na Alemanha, a empresa “Telecommunications Group”, de Munique, instalou um cabo experimental de fibra ótica para transmissão de sinais de telefonia e de televisão. O sistema tem operado com sucesso durante 12 horas diárias, desde agosto de 1976, sem qualquer distúrbio.

Outras aplicações iniciais de sistemas similares foram feitas em aeronaves, navios e conexões de computadores. À medida que forem feitos mais refinamentos na nova tecnologia e nas técnicas de engenharia necessárias para costurar e conectar fibras de vidro e cabos, espera-se que substituam muitos cabos metálicos no campo das comunicações.

Que vantagens serão ganhas pelo uso de cabos de luz e de fibras óticas? Além disso, que efeito terá tudo isto em nossa vida diária?

As Vantagens e o Futuro

O uso das fibras de vidro nas comunicações oferece várias vantagens em relação aos fios de cobre tradicionais. Não existindo metal nas fibras, estão assim livres de interferências elétricas. Cabos de fibra e de fibra ótica têm um diâmetro relativamente pequeno — um fator de grande valia nas redes telefônicas das cidades, onde os cabos subterrâneos amiúde estão congestionados. São mais leves do que os fios de cobre — uma grande vantagem para as aeronaves e os satélites, onde e preciso manter baixo o peso. E por fim, porém, o que é mui importante, as fibras são fáceis de produzir.

Inicialmente, os cabos de fibra ótica são vistos como um meio de acompanhar o crescimento das redes de comunicação já existentes. Para o homem comum, isto pode significar menos aumentos das contas telefônicas e o aumento da facilidade de telefonar.

A longo prazo, porém, as vantagens são muito mais emocionantes. Baseiam-se nesta extraordinária capacidade de transportar informações por meio da luz coerente, que ainda não foi plenamente explorada. Para utilizar este potencial emergiu, a partir de 1969, um novo campo, chamado de “ótica integrada”. Nele, os lasers são completamente miniaturizados e diminutos circuitos de luz conectam os componentes óticos.

Divisam-se novas e fascinantes idéias para as comunicações. Lares e escritórios particulares, equipados com cabos de fibra ótica, ao invés de fios de telefone, poderão ter acesso direto via televisão a novos serviços centralizados, tais como bibliotecas, centros educacionais, bancos, centros médicos e lojas computadorizadas, e assim por diante. Com estas facilidades, uma pessoa poderá, de sua própria casa, discar para a biblioteca computadorizada a fim de obter o livro de sua escolha e então lê-lo em sua tela de televisão, ou ligar para seu banco, a fim de ver na tela o extrato de sua conta corrente. Uma dona-de-casa, se retida em sua casa, poderia usar um teletipo para compor sua lista de compras na tela de televisão e então transmitir o pedido para um supermercado, num toque de botão. Video-telefones lhe possibilitarão ver a pessoa com quem fala ao telefone!

Está claro, então, que a poderosa capacidade de comunicação da luz está revelando muitas perspectivas novas para o futuro. Quando os sistemas de ondas luminosas começarem a se deslocar dos laboratórios para o uso prático, muitos benefícios poderão advir. Quando refletimos sobre tudo isso, podemos muito bem ter apreço pela natureza maravilhosa e intricada da própria luz. A inventividade do homem, e seu íntimo anseio de conhecimento, são verdadeiramente bem supridos pelos infindáveis tesouros da criação. — Sal. 145:16.

[Nota(s) de rodapé]

[Diagrama na página 22]

(Para o texto formatado, veja a publicação)

PRINCÍPIO DA REFLEXÃO INTERNA TOTAL

VIDRO

parte transmitida

VIDRO MAIS DENSO

feixe de luz em ângulo agudo

parte refletida

VIDRO

VIDRO MAIS DENSO

feixe de luz em ângulo raso

toda a luz é refletida

COMO UMA FIBRA DE VIDRO GUIA A LUZ

os raios da luz em ângulo raso ziguezagueiam ao longo do núcleo

cobertura de vidro

ńucleo de vidro mais denso