Da ideia à inovação: O fio de vidro que conectou o mundo (parte 2).


Veja nossa matéria sobre a primeira parte desta história.

E aqui estamos de volta à história do desenvolvimento das fibras ópticas.

No final da década de 1950, fibras ópticas curtas já eram produzidas industrialmente e usadas em alguns segmentos, principalmente em medicina para inspecionar o interior do corpo humano por meio de endoscópios.

Neste figura sobre o espectro eletromagnético, podem ser comparados os diversos tipos de radiação que existem. Fonte https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Espectro_EM_pt.svg.
Nesta figura sobre o espectro eletromagnético, podem ser comparados os diversos tipos de radiação eletromagnética que existem. Fonte https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Espectro_EM_pt.svg.

No âmbito das telecomunicações, a transmissão de informações por meio de fios de cobre e de ondas de rádio estava estabelecida e continuava avançando. O primeiro cabo transatlântico de fios de cobre foi instalado em 1956, e o primeiro satélite de telecomunicações, que usava ondas de rádio, foi lançado dois anos depois.  Entretanto, o crescente uso do telefone e da televisão estavam gerando uma urgente demanda por aumentar a capacidade de transmitir informações.

Empresas de telecomunicações da Europa e Estados Unidos começaram a buscar soluções em seus laboratórios de pesquisa. A maior parte das pesquisas focava, principalmente, no uso das ondas de rádio de comprimento mais curto e das micro-ondas, mas não considerava as ondas da chamada “região óptica”, formada principalmente pela luz visível. Todavia, era nas ondas de luz visível que podia ser encontrado o maior potencial para as comunicações. Para se ter uma ideia, essas ondas podem carregar dezenas de milhares de vezes mais informação do que as ondas de rádio, por exemplo.

A aparição em cena do laser puxou um pouco a história para o lado das telecomunicações ópticas. Inventado em 1960, em um centro de pesquisa de uma empresa aeroespacial dos Estados Unidos, o laser foi ganhando novas e melhores versões ao longo da década. Com a sua capacidade de emitir luz em forma de feixes muito estreitos que se conservam por grandes distâncias, o laser podia ser um ótimo parceiro da fibra óptica.

Entretanto, a fibra óptica era deixada de lado devido à sua enorme atenuação – redução de intensidade do sinal de luz entre dois pontos, a qual se mede em decibéis perdidos por quilômetro percorrido (dB/km). De fato, usando as fibras ópticas disponíveis naquele momento, apenas 1% da luz injetada na fibra permanecia nela 20 metros adiante. Perante essa baixíssima eficiência, outras formas de guiar a luz começaram a ser propostas e testadas por alguns grupos, enquanto outros pesquisadores continuavam investindo esforços e recursos em guias de ondas de rádio ou micro-ondas.

Os poucos grupos que apostavam na fibra óptica ou em guias de ondas ópticas similares (filmes finos, por exemplo) no início da década de 1960 estavam localizados na STL (centro de pesquisa da empresa britânica de telecomunicações STC); na CSF (forte grupo empresarial francês atuante em áreas como telecomunicações, defesa, materiais e eletrônica); nos laboratórios Bell (laboratório estadunidense de pesquisa industrial na época ligado à companhia de telecomunicações AT&T), e na universidade japonesa de Tohuku.

Charles Kao, provavelmente em 1966. Fonte https://www.youtube.com/watch?v=2-5sScP_fiw
Charles Kao, provavelmente em 1966. Fonte https://www.youtube.com/watch?v=2-5sScP_fiw

No grupo da STL, trabalhava Charles K. Kao, quem ganharia o Premio Nobel de Física em 2009 em reconhecimento a seus trabalhos com fibra óptica. Nascido em Xangai (China), Kao cursou o final do ensino secundário em um colégio britânico de Hong-Kong e foi morar na Inglaterra em busca de estudos universitários em eletrônica e comunicações, áreas que lhe apaixonavam. Formou-se em Engenharia Elétrica pela University of London em 1957, e logo começou a trabalhar para a STC, até receber e aceitar uma proposta de fazer doutorado empresarial no braço de pesquisa da empresa, o STL. Ali ajudou o pesquisador Antoni E. Karbowiak em seus estudos sobre diversos guias de onda, até que o Karbowiak saiu da STL para assumir uma cadeira de professor. Nesse momento, Kao se dedicou na STL ao projeto no qual ele mais acreditava, o do desenvolvimento de fibras compostas por núcleo e revestimento para serem usadas em telecomunicações como guias de ondas de luz visível.

Kao contou então com a ajuda de seu colega, o jovem engenheiro George Hockham, para desenvolver seus estudos sobre fibra óptica. Juntos se dedicaram a entender as causas das perdas de luz na fibra, para saber se elas poderiam ser eliminadas ou diminuídas ou se, pelo contrário, tentar baixar a atenuação era encarar uma batalha perdida. Enquanto Hockham estudava as imperfeições no formato ou tamanho das fibras, Kao se concentrava nas características do material, em particular sua estrutura e as impurezas e defeitos presentes nela. Os resultados dos estudos da dupla foram publicados em junho de 1966 nos IEEE Proceedings [K.C. Kao and G.A. Hockham, “Dielectric-Fibre Surface Waveguides for optical frequencies”. Proc. IEE, 113, 1151 (1996)].

Esse artigo pode ser considerado um marco na história da fibra óptica, por ser o primeiro que reportou as causas das perdas de luz na fibra óptica e que mostrou o caminho a seguir e a meta a alcançar para conseguir uma fibra apta ao uso em telecomunicações.

Com base nas características dos emissores (laser) e detectores de luz existentes, Kao e seu coautor afirmavam que, para poder usar as fibras em telecomunicações ópticas, era necessário baixar sua atenuação até chegar aos 20 dB/km. A meta era muito desafiadora, pois nas fibras disponíveis no momento a luz atenuava 20 dB… a cada 20 metros!  Isso na melhor das hipóteses. Contudo, ao mostrar que as principais causas das perdas de luz nas fibras ópticas estavam relacionadas à presença de impurezas no material, que absorviam ou espalhavam a luz e a desviavam da sua rota, o artigo apontou um caminho para diminuir a atenuação: o uso de vidros mais puros.

Representação do corte frontal de uma fibra óptica (na qual proporções não foram consideradas) com as duas partes principais da fibra: o núcleo, com índice de refração n1, e o revestimento, com índice de refração menor (n2).
Representação do corte frontal de uma fibra óptica (na qual proporções não foram consideradas) com as duas partes principais da fibra: o núcleo, com índice de refração n1, e o revestimento, com índice de refração menor (n2). Fonte https://pt.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica#/media/File:Optical_fiber.svg

O artigo concluía que fibras cilíndricas compostas por um núcleo e um revestimento, ambos feitos de materiais vítreos com índices de refração levemente diferentes (maior no núcleo), poderiam ser meios de transmissão de informação muito melhores do que os existentes na época, além de mais baratos. Nessas fibras, a informação viajaria codificada em sinais de luz que percorreriam o núcleo, enquanto o revestimento garantiria que a luz permaneça no núcleo mesmo nas curvas.

Depois disso, Charles Kao continuou se dedicando à fibra óptica, investindo seu tempo não apenas na pesquisa, mas também na divulgação. De fato, ele proferiu palestras sobre seus estudos e sobre o potencial da fibra óptica em diversos laboratórios e empresas do mundo. Além disso, a STL divulgou um press release destacando as possibilidades da fibra óptica no campo das comunicações, o qual teve pouca repercussão na imprensa.

Em paralelo, junto a novos colaboradores, Kao fez uma série de experimentos com diversos vidros e outros materiais e mostrou, entre outros resultados, que no vidro denominado sílica fundida pura, a atenuação podia chegar a apenas 5 dB/km. O resultado era animador, mas transformar em uma fibra óptica esse material feito de dióxido de silício (SiO2) puro era outra história. Devido à sua pureza, esse vidro só podia ser fundido a altíssimas temperaturas, superiores a 1.500 °C. Além disso, depois de fundido, sua viscosidade dificultava a sua transformação em qualquer produto. Finalmente, o índice de refração da sílica fundida era extremamente baixo. Desse modo, utilizá-la para fabricar o núcleo da fibra, se por um lado seria vantajoso em termos de pureza, por outro lado seria complicadíssimo, não apenas pela dificuldade de processar o material, mas também pela impossibilidade de achar um material com índice de refração menor para o revestimento.

Nesse momento, alguns laboratórios de empresas da Alemanha, Estados Unidos, França, Reino Unido e Japão decidiram enfrentar o desafio de desenvolver a fibra óptica de baixa atenuação. Perante a dificuldade de lidar com a sílica fundida, a maioria desistiu desse material e tentou fazer fibras ópticas com outros vidros, retirando-lhes as impurezas. Por sua vez, outros grupos desistiram de fazer fibras ópticas de baixa atenuação ao ouvir especialistas em vidro que afirmavam que seria impossível retirar as impurezas que estavam incomodando.

Apenas um desses grupos fez escolhas diferentes, o da empresa Corning, nos Estados Unidos. Fundada em 1851, a firma sempre trabalhou com vidros, mas, longe de se estancar na produção de produtos de baixo valor agregado, ela protagonizou o desenvolvimento de muitas inovações, a começar pela bola de vidro da lâmpada incandescente de Thomas Edison. No início da década de 1930, foi na Corning que o químico Franklin Hyde criou o método de hidrólise de chama que viabilizou a fabricação e processamento de sílica pura. Nesse método, em vez de se fundir cristais de dióxido de silício, parte-se de um composto líquido baseado em silício que, aquecido em cima de uma chama, acaba gerando um pó que se pode ser depositado formando camadas de sílica.

Peter Schultz, Donald Keck e Robert Maurer, e fibras ópticas. Fonte: http://ethw.org/File:Corning_Fiber-optic_Inventors_3.jpg
Peter Schultz, Donald Keck e Robert Maurer, e fibras ópticas. Fonte: http://ethw.org/File:Corning_Fiber-optic_Inventors_3.jpg

Em 1966, a Corning incumbiu o físico Robert Maurer de pesquisar e desenvolver fibras ópticas de menos de 20 dB/km de atenuação para uso em comunicações ópticas. Em 1968, mais dois cientistas tinham se somado a Maurer nesse projeto:  Peter Schultz, doutor em Ciência do Vidro, e Donald Keck, doutor em Física.

O trio trabalhou duro em ideias que eram opostas àquelas que os demais grupos do mundo estavam seguindo. Na escolha do material, o grupo da Corning optou por usar o vidro mais puro e acrescentar impurezas quando necessário, em vez de retirar impurezas de vidros menos nobres até chegar à atenuação desejada. Os cientistas da Corning usaram, então, a sílica fundida pura para o revestimento da fibra óptica, o qual precisava de um material com índice de refração menor, e a sílica com pequeníssimas quantidades de titânio no núcleo, de modo a aumentar o índice de refração apenas o necessário e diminuir a pureza o mínimo possível.

Para o método de fabricação da fibra, o grupo da Corning também seguiu um caminho próprio, baseado no método que Hyde tinha desenvolvido mais de trinta anos atrás. O trio fabricou um tubo de sílica pura e depositou a sílica dopada dentro dele. Com essa fibra, cerca de quatro anos depois do início do projeto de desenvolvimento da fibra óptica de baixa atenuação, o grupo da Corning obteve a primeira medida de atenuação menor que 20 dB/km. Estava desenvolvida a primeira fibra óptica de baixa atenuação!

Em maio de 1970, a equipe depositou duas patentes revelando, respectivamente, a composição e o método de fabricação dessa fibra e, depois disso, começou a divulgar os resultados.

Em 1971, a Corning decidiu que o projeto poderia passar da fase de pesquisa à de desenvolvimento, na qual engenheiros trabalharam para tornar a fabricação adequada à escala industrial, para deixar a fibra mais resistente (a primeira fibra era mais frágil do que o desejável) e para finalizar o desenvolvimento junto a empresas que tinham interesse em comprar a fibra. Enquanto isso acontecia, a equipe de pesquisa continuou explorando, com bons resultados, novas possibilidades para obter melhores fibras ópticas. Depois disso, Maurer, Schultz e Keck se viram obrigados a dedicar uma grande parte do tempo deles a litígios judiciais relacionados às patentes da fibra óptica, que foram outorgadas à Corning em 1972 e 1973.

No início da década de 1970, a fibra óptica ainda não era uma inovação propriamente dita. De fato, a inserção dessa tecnologia no mercado demorou mais de 10 anos para acontecer. Essa parte da história, também interessante, não será abordada aqui, mas alguns marcos podem ser citados. Em 1975, no Reino Unido, as primeiras fibras ópticas não-experimentais foram instaladas. Em 1976, a Corning inaugurou a sua primeira fábrica industrial de fibras ópticas. Em 1983, nos Estados Unidos, foi instalada a primeira rede nacional de telefonia baseada em fibras ópticas. Em 1988, o primeiro cabo transatlântico de fibras ópticas foi instalado.

Atualmente, com bilhões de quilômetros de fibra óptica instalados, as telecomunicações no planeta Terra, principalmente via Internet, dependem fortemente desses finos fios de vidro ou plástico. Com relação a outras tecnologias, a fibra óptica mantém o primeiro lugar em velocidade de transmissão de dados, com imensas quantidades de informação podendo ser transmitidas em 1 segundo entre pontos distantes do planeta. Com relação às ondas de rádio que predominavam nas comunicações ópticas 60 anos atrás, essa capacidade aumentou nada menos que um milhão de vezes. Valeu a pena o esforço de todos os envolvidos na história, não é mesmo?

 


Para saber mais

Da ideia à inovação: O fio de vidro que conectou o mundo.


Feixe de fibras ópticas. Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fibreoptic.jpg
Feixe de fibras ópticas. Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fibreoptic.jpg

Você está lendo esta matéria em algum dispositivo conectado à Internet, não é mesmo? Não importa se você está usando um smartphone que recebe a informação de uma antena, ou se os dados chegam no seu computador, e inclusive nos postes do seu bairro, por meio de fios de cobre ou cabos coaxiais. Em algum momento, o seu acesso à web dependerá de fibras ópticas, esses fiozinhos transparentes, de vidro ou plástico, cujo diâmetro é similar ao dos fios de cabelo humano (de poucas dezenas até poucas centenas de micrometros).

Os cabos de fibra óptica são grandes rodovias de dados que conectam continentes, países, cidades e data centers entre si. Apenas nos trechos mais próximos ao usuário, a informação transita por outros tipos de vias, de trânsito mais lento.  Segundo dados da empresa Corning há mais de 2 bilhões de quilômetros de fibra óptica instalados no mundo, o suficiente para dar a volta à Terra pelo Equador 50 mil vezes!

Se as fibras ópticas são rodovias, a luz é o meio de transporte que transita nelas, e os passageiros são os dados, que viajam codificados em forma de sinais ópticos. Nessas rodovias, os passageiros conseguem percorrer cerca de 200 mil km (cinco voltas ao Equador) em 1 segundo.

A primeira fibra óptica “usável” em comunicações foi produzida em 1970 nos Estados Unidos, mais precisamente na Corning Glass Works (atual Corning Inc.), empresa especializada em materiais vítreos e cerâmicos. Mas a história do desenvolvimento da fibra óptica começa muito antes. Vamos contar os momentos que acreditamos sejam os mais importantes nessa história, protagonizada por muitos cientistas de diversas nacionalidades. Vale aqui fofocar que houve muitos litígios por patentes e que vários dos pesquisadores envolvidos não reconheceram o trabalho dos anteriores.

Século XIX: guiando a luz por caminhos sinuosos

No século XIX, alguns renomados cientistas demonstraram experimentalmente que a luz podia ser conduzida por algum meio (no caso, um jato de água) para obriga-la a seguir um determinado caminho, inclusive acompanhando curvas. Há registros de demonstrações e publicações realizadas em sociedades científicas da Europa nas décadas de 1840 e 1850 pelo suíço Jean-Daniel Colladon (1841), pelo francês Jacques Babinet (1842) e pelo irlandês John Tyndall (1854). O experimento, que está ilustrado na imagem abaixo à direita, mostrava que a luz, guiada pela água, era desviada da sua trajetória retilínea para fazer um trajeto curvo.

A partir da esquerda: Colladon, Babinet e Tyndall.
A partir da esquerda: Colladon, Babinet e Tyndall. À direita, desenho do experimento que eles apresentaram.

Mas será que a luz, seguindo a “estrada” de água, estava realmente descrevendo uma trajetória curva? Claro que não. O que esses cientistas estavam mostrando era a luz se refletindo uma e outra vez dentro do fluxo de água, descrevendo uma espécie de ziguezague devido ao fenômeno conhecido como reflexão interna total. Trata-se mais ou menos do seguinte. A luz entra no fluxo de água seguindo seu caminho reto. Quando o fluxo de água começa a fazer uma curva, a luz, que viaja em linha reta, acaba atingindo a interface entre água e ar. Então, ela é refletida pela “parede” interna do fluxo de água e bate na “parede” oposta, onde volta a ser refletida. E assim continua seu caminho ziguezagueante dentro da água. O fenômeno acontece devido a diferenças entre o modo como a água e o ar interagem com a luz (índices de refração). Para que o fenômeno aconteça, é fundamental que a luz descreva um ângulo maior ao chamado “ângulo crítico” ao bater na interface entre água e ar. Obviamente, o fenômeno pode acontecer em diversos meios, e não apenas no sistema água – ar.

O experimento do século XIX se assemelha aquele que aparece no início deste vídeo (tirando, é claro, algumas atualizações implementadas no vídeo brasileiro, como o uso de laser e canudinho plástico). Veja que bonito:

Fibras de vidro flexíveis para explorar o tubo digestivo

Aparentemente, Jaques Babinet foi um pouco mais longe na exploração da reflexão interna total e demonstrou que uma vara de vidro curvado também podia guiar a luz.

A ideia foi retomada provavelmente na década de 1920, quando houve tentativas de utilizar feixes de varas flexíveis de vidro para conduzir luz e poder enxergar locais de outro modo inacessíveis, como, por exemplo, o interior do tubo digestivo (medicina). Não que não existissem instrumentos para isso, os endoscópios, mas eram rígidos e, portanto, muito temidos pelos pacientes (com toda razão!).

Mas o vidro é flexível? Sim, quando é fininho, ele é muito flexível.

Entretanto, esses antepassados das fibras ópticas não eram eficientes; o fenômeno de reflexão total não era nem um pouco total ali dentro, a luz fugia através das “paredes” e as fibras não cumpriam com seu papel de iluminar o corpo humano.

Narinder Singh Kapany. Fonte: http://www.sikhfoundation.org/people-events/jewels-of-punjab-dr-narinder-singh-kapany/
Narinder Singh Kapany.

Felizmente, a partir da década de 1960, fibras flexíveis de vidro capazes de guiar a luz já estavam prontas para algumas aplicações, principalmente graças a duas contribuições científicas. Por um lado, o indiano Narinder Singh Kapany e seu orientador de doutorado Harold Hopkins, trabalhando no Imperial College London (Inglaterra), venceram o desafio tecnológico de fabricar um feixe de fibras de vidro que deu conta de transmitir uma imagem com qualidade. O feixe, que os autores chamaram de fibroscópio, tinha várias centenas de fibras de 75 cm de comprimento. Por outro lado, o neerlandês Abraham C.S. van Heel, da Technical University of Delft (Países Baixos), demonstrou com sucesso a ideia de revestir as fibras de vidro com materiais de menor índice de refração para conseguir a reflexão total (ou quase). Ambos os trabalhos foram publicados na mesma edição da revista científica Nature (volume 173, número 4392). Lançada em 2 de janeiro de 1954, a edição pode ser considerada um marco no campo das fibras ópticas. Os artigos tornaram públicas importantes desenvolvimentos e demonstrações, e incentivaram o desenvolvimento de produtos.

Detalhe da patente sobre fabricação de fibra de vidro revestida com vidro. Fonte: https://patents.google.com/patent/US3589793A/en?inventor=Lawrence+E.+Curtiss
Detalhe da patente sobre fabricação de fibra de vidro revestida com vidro. Fonte: https://patents.google.com/patent/US3589793A/en?inventor=Lawrence+E.+Curtiss

Um desses produtos foi o gastroscópio (endoscópio para explorar o estômago) flexível, que começou a se materializar quando Basil Hirschowitz, cirurgião nativo da África do Sul e formado em gastroenterologia em Londres, leu os papers da Nature que acabamos de citar. O cirurgião estava naquele momento fazendo um estágio de pesquisa na University of Michigan (EUA) e ali recrutou um estudante da graduação em Física chamado Lawrence Curtiss. O jovem Larry, que aparentemente era muito capaz, envolveu-se fortemente no projeto, o suficiente para não desistir perante as dificuldades que foi encontrando ao tentar reproduzir os processos reportados nos artigos e ao tentar diminuir as perdas de luz das fibras. Em 1956, Curtiss acabou fazendo uma importante contribuição ao desenvolvimento da fibra óptica: desenvolveu a primeira fibra com núcleo e revestimento de vidro. De fato, ele conseguiu tornar realidade a sua ideia de revestir uma fibra feita de determinado vidro, com outro vidro de índice de refração menor. Para isso, ele desenvolveu um método de fabricação simples: introduzir uma vara do vidro do núcleo dentro de um tubo do outro vidro, aquecer tudo junto e puxar uma fibra do meio. As fibras resultantes ficaram extremamente finas, de cerca de 5 micrometros. Em 1957, o pedido de patente dessa fibra óptica e do processo de obtenção foi depositado, e em 1971 foi outorgado.

No mesmo ano do depósito da patente da fibra, Hirschowitz começava a testar e divulgar o endoscópio de fibra óptica com núcleo e revestimento de vidro. O endoscópio flexível possibilitou, posteriormente, uma série de significativos avanços na medicina, como a realização de cirurgias minimamente invasivas como a videolaparoscopia.

Contudo, na década de 1950, ainda não encontramos aplicações ou tentativas de aplicação da fibra óptica nas comunicações da época (telefonia, rádio, televisão). Entretanto, a transmissão de dados através de fios de cobre começava a não dar conta do recado. Em 1956, foi instalado o primeiro cabo telefônico transatlântico que de fato funcionou, mas ele permitia realizar apenas 36 chamadas simultâneas…

Por outro lado, o laser acabava de ser inventado, abrindo possibilidades de transportar informação (inclusive voz) codificada na luz. Para isso era necessário contar com um meio que guiasse a luz pelos trajetos desejados.

Se para nós, em 2018, é óbvio que esse meio é a fibra óptica, cinquenta e poucos anos atrás, ela era descartada por muitos pesquisadores. Por quê? Por causa da forte atenuação (perda de luz ao longo do caminho) que as fibras apresentavam naquele momento. A quantidade podia ser desprezível para um endoscópio de menos de um metro, porém era extremamente significativa em um cabo de milhares de quilômetros.

Novos trabalhos de desenvolvimento eram necessários. Novos pesquisadores entrariam em cena. Quem, quando, onde e como? Em breve lhe contaremos.

———————-

Dica de leitura sobre este assunto: Hecht, “City of light. The story of fiber optics”, Oxford University Press (1999).