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Come fa la luce a superare l'oceano nei cavi sottomarini

Come funzionano i cavi sottomarini in fibra ottica: amplificatori all'erbio, alimentazione in corrente continua dal conduttore centrale, guasti e riparazioni.

Nave posacavi che cala in mare un cavo a fibra ottica, accanto alla sezione interna e a un ripetitore con amplificatore

Nel 2024 una riparazione di cavo sottomarino è durata in media 51 giorni.

I ripetitori dei moderni cavi sottomarini in fibra ottica usano un amplificatore ottico a stato solido, di solito a fibra drogata all'erbio (EDFA).[1] L'energia arriva da una corrente continua costante che percorre il conduttore vicino al centro del cavo,[2] con il mare come circuito di ritorno.[3] Non è sempre stato così: i ripetitori del TAT-8 erano rigeneratori optoelettronici, non amplificatori EDFA.[4]
Record Sumitomo del 2017
0,1419 dB/km
Perdita a 1.560 nm annunciata da Sumitomo nel 2017[20]
Riparazione media nel 2024
51 giorni
Durata media di una riparazione di cavo sottomarino nel 2024[60]
Capacità di progetto Dunant
250 Tbps
Capacità annunciata per il cavo Dunant attraverso l'oceano[25]

TAT-8: rigeneratori ogni 40 chilometri, prima dell'EDFA

TAT-8, il primo sistema transatlantico in fibra ottica, fu installato nell'estate e nell'autunno del 1988 ed entrò in servizio nel dicembre di quell'anno.[5] I suoi ripetitori erano rigeneratori opto-elettro-ottici:[4] il segnale veniva rigenerato per intero in apparati alloggiati in contenitori a pressione, separati da circa 40 km di cavo.[6] L'amplificatore EDFA era stato inventato l'anno prima, nel 1987.[7]
Nel 1987 Payne e Desurvire lavorarono in parallelo sull'EDFA: il professor Payne si concentrava sugli effetti fisici di base, Emmanuel Desurvire sugli aspetti applicativi.[8] TAT-8 fu progettato per una vita di 25 anni,[9] fu ritirato dal servizio nel 2002[10] e nel 2025 il cavo ha cominciato a essere recuperato e inviato al riciclo da Subsea Environmental Services.[11]

Dentro il ripetitore: erbio, laser di pompa e corrente continua

Il ripetitore moderno ha come elemento attivo un amplificatore a stato solido, di solito un EDFA.[1] Si tratta di una fibra di vetro drogata all'erbio, lunga in genere 10-30 m.[12] Nell'emissione stimolata l'erbio cede la sua energia sotto forma di fotoni aggiuntivi, con la stessa fase, frequenza e direzione del segnale amplificato.[13]
Gli EDFA di oggi arrivano fino a 40 dB di amplificazione, un fattore 10.000, con una cifra di rumore inferiore a 4 dB.[14] Per gli amplificatori a fibra drogata in generale la cifra di rumore ideale è di 3 dB, mentre quelli pratici possono arrivare a 6-8 dB.[15]
La tensione lungo il cavo va spesso da 3.000 a 15.000 V in continua, con una corrente fino a 1.100 mA, cioè 1,1 A.[16] A 10.000 V la corrente può arrivare a 1.650 mA, cioè 1,65 A.[17] Scende lungo il conduttore vicino al centro del cavo[2] e il circuito si chiude attraverso il mare.[3] Anche i cavi sottomarini HVDC trasportano corrente continua sul fondale, ma per portare energia e non per alimentare ripetitori.

Perdita in fibra, standard ITU e coppie di fibre

A 1.550 nm la fibra a nucleo di silice pura ha una perdita di 0,172 dB per chilometro.[18] Sono possibili tratte di oltre 100 km tra un ripetitore e il successivo.[19] Il record annunciato da Sumitomo nel 2017 fu di 0,1419 dB/km a 1.560 nm.[20] Le due misure non sono alla stessa lunghezza d'onda.

0,1419 dB/km

Record annunciato nel 2017, a 1.560 nm
La raccomandazione ITU-T G.973 descrive i sistemi sottomarini in fibra senza ripetitori,[21] mentre i sistemi con amplificazione ottica rientrano nella G.977.[22] Il numero di coppie di fibre varia molto da un cavo all'altro:
  • TAT-8 (1988): due coppie di fibre operative.[23]
  • Dunant: 12 coppie di fibre, il primo cavo a lunga distanza con un design SDM a 12 coppie;[24] capacità di progetto di 250 Tbps[25] tra Virginia Beach, negli Stati Uniti, e Saint-Hilaire-de-Riez, sulla costa atlantica francese;[26] il 3 febbraio 2021 SubCom e Google hanno annunciato che era pronto al servizio.[27]
  • Amitié: 16 coppie di fibre;[28] annunciato nel 2020, è entrato in servizio nell'ottobre 2023.[29]
Su Dunant la tecnologia SDM permette di condividere le pompe laser e i componenti ottici associati tra più coppie di fibre.[30] In generale sono stati posati cavi sottomarini con fino a 24 coppie di fibre.[31] Collegano i continenti e fanno parte delle infrastrutture digitali del computing.

Ancore, pesca e squali: chi rompe i cavi

Le ancore trascinate causano circa il 30% degli incidenti ogni anno, cioè circa 60 guasti,[32] e restano tra le principali cause di danno a livello globale.[33] Una riparazione delle telecomunicazioni costa in media tra 500.000 e 1 milione di sterline per incidente.[34]
Un white paper ICPC del 2011 conta in media circa 150 guasti l'anno ai sistemi di cavi internazionali, con un costo medio di riparazione da 1 a 3 milioni di dollari o più per guasto.[35] Attorno al Regno Unito, tra il 2007 e il 2010, 19 guasti su 53 sono stati causati da ancore.[36] Il caso più rilevante è del 2008 al largo della Sicilia: una nave ha trascinato l'ancora per 300 km e ha danneggiato 6 cavi a profondità fino a 180 m.[37]
L'industria è abituata a riparare circa 200 guasti l'anno,[38] e la maggior parte dei singoli guasti non viene resa pubblica.[39] Molte minacce ai cavi sono accidentali:[40]
  • pescherecci a strascico
  • ancore delle navi
  • terremoti
  • correnti di torbidità
  • morsi di squalo
I morsi di squalo e gli attacchi dei pesci sega sono documentati.[41] Il cavo di prova posato alle Canarie nel 1985 non aveva schermo elettrico ed è stato attaccato dagli squali.[42]
Dopo il 1985 il tasso di guasti è sceso a 0,44 ogni 1.000 km all'anno, grazie alla sepoltura diffusa dei cavi iniziata nel 1980.[43] Di norma i cavi sono sepolti in acque meno profonde di 2.000 m.[44]
L'ICPC ha mostrato nel 2011, con il monitoraggio AIS, che le ancore erano una causa di danno molto più rilevante di quanto si pensasse in precedenza.[45] Secondo l'ICPC ogni settimana si verificano molti più incidenti ai cavi di quanti ne riportino le notizie.[46]
Sugli squali pesa il confronto con le altre cause. L'analisi dell'ICPC riportata da Fibre Systems attribuisce a squali e altri pesci meno dell'1% di tutti i guasti fino al 2006,[47] e secondo dati ICPC citati da TeleGeography i morsi di pesci, squali compresi, non hanno causato alcun guasto tra il 2007 e il 2014.[48] Ancoraggio e pesca restano la causa principale, con il 65-75% di tutti i guasti.[49]

Come si localizza e si ripara un guasto

La localizzazione parte da terra: si inviano impulsi di luce, si misura il tempo che i riflessi impiegano a tornare e il ritardo indica la posizione del danno.[50] I ripetitori includono un isolatore ottico che limita la propagazione del segnale a un'unica direzione.[51] Sui cavi sottomarini il C-OTDR, la riflettometria coerente nel dominio del tempo, serve a individuare la posizione dei guasti.[52]
In acque meno profonde di 1.500 m le riparazioni si fanno di norma con un ROV che recupera dal fondale il cavo danneggiato.[53] In acque profonde servono in genere una settimana o più e si usano grappini per portare il cavo in superficie.[54]
Una presentazione di TE SubCom del 2011 descrive un metodo comune: la nave trascina un grappino da taglio per tagliare il cavo.[55] Se la lunghezza di cavo aggiunta è notevole, può servire un ripetitore extra.[56] Una riparazione tipica richiede più giorni di navigazione fino al punto del guasto e 3-5 giorni con la nave sul posto, di più con maltempo o altri fattori.[57] Confermare la posizione di un guasto può richiedere ore o giorni e il risultato può essere impreciso.[58] Gli strumenti a terra misurano la lunghezza del cavo fino al guasto, ma se il cavo è stato trascinato fuori rotta la posizione cambia.[59]
Nel 2024 una riparazione ha richiesto in media 51 giorni.[60] Nel mondo ci sono circa 65 navi posacavo dedicate ai cavi in fibra ottica.[61] Sul fondale lavorano anche i cantieri dei ponti costruiti sott'acqua con i cassoni.

Fibre sperimentali e cavi in programma

Un paper pubblicato su Nature Photonics il 1° settembre 2025[62] riporta per una fibra sperimentale una perdita misurata di 0,091 dB/km a 1.550 nm, sotto 0,2 dB/km su una finestra di 66 THz.[63] Le fibre in silice più avanzate sono citate a 0,14 dB/km,[64] mentre il record annunciato da Sumitomo nel 2017 fu di 0,1419 dB/km a 1.560 nm.[20] Le lunghezze dei sistemi, dal 1988 ai progetti in corso:
Nave specializzata che posa in mare uno dei cavi sottomarini ad alta tensione dal grande tamburo di bordo

Da leggere · Energia e Reti Elettriche

Perché i cavi elettrici sottomarini usano la continua

  • TAT-8: 5.846 km di fondale tra Nord America ed Europa,[65] con una capacità equivalente a 40.000 circuiti telefonici, dieci volte quella dell'ultimo cavo in rame,[66] e rigeneratori a 280 Mbps.[67]
  • Dunant: circa 6.600 km.[68]
  • Amitié: 6.800 km, per i quali è stata chiesta la licenza nell'agosto 2020.[69]
  • Nuvem: circa 7.194 km e 16 coppie di fibre secondo i depositi FCC;[70] l'obiettivo indicato è la messa in servizio nel secondo semestre 2026.[71]
  • EXA Meridian: 6.552 km tra New Jersey e Brean, nel Regno Unito, in progetto,[72] con messa in servizio fissata al 2029.[73]

Domande frequenti

Come funzionano i cavi sottomarini in fibra ottica sulle lunghe distanze?

I ripetitori lungo il cavo contengono un amplificatore a stato solido, di solito un EDFA.[1] Una corrente continua costante scende lungo il conduttore vicino al centro del cavo[2] e torna attraverso il mare.[3]

Che differenza c'è tra G.973 e G.977 nei cavi sottomarini in fibra ottica?

La G.973 riguarda i sistemi senza ripetitori,[21] la G.977 quelli con amplificazione ottica.[22]

I cavi sottomarini in fibra ottica vengono morsi dagli squali?

Sì: i casi di squali che mordono i cavi e di attacchi dei pesci sega sono documentati.[41] Il cavo di prova alle Canarie, senza schermo elettrico, fu attaccato dagli squali.[42]

Come si ripara un cavo sottomarino in fibra ottica danneggiato?

In acque meno profonde di 1.500 m si usa di norma un ROV per recuperare il cavo dal fondale.[53] In acque profonde la riparazione richiede in genere una settimana o più e usa grappini per portare il cavo in superficie.[54]

Quanti guasti subiscono ogni anno i cavi sottomarini in fibra ottica?

Un white paper ICPC del 2011 indica circa 150 guasti l'anno ai sistemi di cavi internazionali.[35] L'industria è abituata a riparare circa 200 guasti l'anno.[38]

Quanto è bassa la perdita nei cavi sottomarini in fibra ottica a 1.550 nm?

La fibra a nucleo di silice pura ha 0,172 dB per chilometro a 1.550 nm;[18] il record annunciato da Sumitomo nel 2017 fu di 0,1419 dB/km a 1.560 nm.[20]

Fonti

73 riferimenti Mostra
  1. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «Modern optical fiber repeaters use a solid-state optical amplifier, usually an erbium-doped fiber amplifier (EDFA).»

  2. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «Repeaters are powered by a constant direct current passed down the conductor near the centre of the cable»

  3. Google Patents, US7166933B2 (si apre in una nuova scheda)

    «Seawater is used as a return circuit in the communication submarine cable system.»

  4. Wikipedia, TAT-8 (si apre in una nuova scheda)

    «The system was made possible by opto-electric-opto regenerators acting as repeaters»

  5. Nokia Bell Labs, TAT-8: the first transatlantic optical system (si apre in una nuova scheda)

    «TAT-8, the first transatlantic optical fiber system, was installed in the summer and fall of 1988 and went into service in December of that year.»

  6. Wikipedia, TAT-8 (si apre in una nuova scheda)

    «fully regenerated in equipment placed in pressure housings separated by about 40 km of cable.»

  7. Eduard Rhein Stiftung, invenzione dell'EDFA (si apre in una nuova scheda)

    «The invention of the erbium-doped fibre amplifier (EDFA) in 1987»

  8. Eduard Rhein Stiftung, invenzione dell'EDFA (si apre in una nuova scheda)

    «Prof. Payne concentrating on the basic physical effects and Dr. Emmanuel Desurvire focussing on the application aspects»

  9. Wikipedia, TAT-8 (si apre in una nuova scheda)

    «was retired from service in 2002.»

  10. Wikipedia, TAT-8 (si apre in una nuova scheda)

    «In 2025, the cable began the recovery process of being pulled up and sent for recycling by Subsea Environmental Services.»

  11. Eduard Rhein Stiftung, invenzione dell'EDFA (si apre in una nuova scheda)

    «The erbium-doped fibre amplifier consists of an erbium-doped glass fibre, typically 10-30 m long»

  12. Wikipedia, Erbium-doped fiber amplifier (si apre in una nuova scheda)

    «the erbium gives up its energy in the form of additional photons which are exactly in the same phase, frequency, and direction as the signal being amplified»

  13. Eduard Rhein Stiftung, invenzione dell'EDFA (si apre in una nuova scheda)

    «amplification factors of up to 40 dB (a factor of 10000) and noise figures of less than 4 dB»

  14. Wikipedia, Erbium-doped fiber amplifier (si apre in una nuova scheda)

    «Noise figure in an ideal DFA is 3 dB, while practical amplifiers can have noise figure as large as 6–8 dB.»

  15. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «The voltage passed down the cable is often anywhere from 3000 to 15,000VDC at a current of up to 1,100mA»

  16. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «due to its low loss of 0.172 dB per kilometer when carrying a 1550 nm wavelength laser light»

  17. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «permitting runs of more than 100 kilometres (62 mi) between repeaters»

  18. Sumitomo Electric, comunicato del 2017 (si apre in una nuova scheda)

    «successfully reduced the transmission loss further down to 0.1419 dB/km at a wavelength of 1560 nm, setting a new world record for the lowest loss of optical fiber.»

  19. ITU-T G.973 (si apre in una nuova scheda)

    «Characteristics of repeaterless optical fibre submarine cable systems»

  20. ITU-T G.977 (si apre in una nuova scheda)

    «Characteristics of optically amplified optical fibre submarine cable systems»

  21. Wikipedia, TAT-8 (si apre in una nuova scheda)

    «The system contained two working pairs of optical fibers»

  22. SubCom, Dunant ready for service (si apre in una nuova scheda)

    «Dunant is the first long-haul subsea cable to feature a 12 fiber pair space-division multiplexing (SDM) design»

  23. Google Cloud Blog, Dunant (si apre in una nuova scheda)

    «will deliver record-breaking capacity of 250 terabits per second (Tbps) across the ocean»

  24. Google Cloud Blog, Dunant (si apre in una nuova scheda)

    «Crossing the Atlantic Ocean between Virginia Beach in the U.S. and Saint-Hilaire-de-Riez on the French Atlantic coast»

  25. SubCom, Dunant ready for service (si apre in una nuova scheda)

    «the deployment and testing of the Dunant submarine cable system has been completed and the system is ready for service»

  26. Wikipedia, Amitié (si apre in una nuova scheda)

    «The Amitié cable has 16 fibre pairs, each with 23 Tbit/s capacity.»

  27. Wikipedia, Amitié (si apre in una nuova scheda)

    «It was announced in 2020 and went live in October 2023.»

  28. Google Cloud Blog, Dunant (si apre in una nuova scheda)

    «the SDM technology used in Dunant allows pump lasers and associated optical components to be shared among multiple fiber pairs.»

  29. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «submarine cables with up to 24 fiber pairs have been deployed»

  30. ICPC, danni da ancore trascinate (si apre in una nuova scheda)

    «Damage to submarine cables from dragged anchors account for approximately 30% of incidents each year representing around 60 faults.»

  31. ICPC, danni da ancore trascinate (si apre in una nuova scheda)

    «Ship anchor damage remains a leading cause of damage globally, presenting a significant and preventable threat to submarine cables»

  32. ICPC, danni da ancore trascinate (si apre in una nuova scheda)

    «telecommunication repairs averaging £500k-£1m per incident»

  33. Green e Brooks, The Threat of Damage to Submarine Cables by the Anchors of Cables Underway (si apre in una nuova scheda)

    «It is estimated that on average there are about 150 cable faults per year to international cable systems with an average repair cost of between US$1 million to US$3 million plus per fault.»

  34. Green e Brooks, The Threat of Damage to Submarine Cables by the Anchors of Cables Underway (si apre in una nuova scheda)

    «There have been 53 faults around the UK since 2007 of which 19 were caused by anchor»

  35. Green e Brooks, The Threat of Damage to Submarine Cables by the Anchors of Cables Underway (si apre in una nuova scheda)

    «The most significant event occurred off Sicily in 2008 when a ship dragged its anchor for 300km and damaged 6 cables in water depths down to 180m.»

  36. TeleGeography, Is it sabotage? (si apre in una nuova scheda)

    «an industry habitually accustomed to repairing 200 faults each year»

  37. TeleGeography, Is it sabotage? (si apre in una nuova scheda)

    «Most individual cable faults are never disclosed to the public.»

  38. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «Many of these threats are accidental, such as by fishing trawlers, ship anchors, earthquakes, turbidity currents, and even shark bites.»

  39. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «Cases of sharks biting cables and attacks by sawfish have been recorded.»

  40. Wikipedia, TAT-8 (si apre in una nuova scheda)

    «This cable did not have an electrical screen and was attacked by sharks.»

  41. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «That rate was reduced to 0.44 faults per 1,000 km (500 nmi.) per year after 1985, due to widespread burial of cable starting in 1980.»

  42. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «Typically, cables are buried in waters with a depth of less than 2,000 meters»

  43. ICPC, danni da ancore trascinate (si apre in una nuova scheda)

    «An ICPC White Paper published in 2011 demonstrated through use of AIS monitoring that anchors were a far more significant cause of damage than had previously been thought»

  44. ICPC, danni da ancore trascinate (si apre in una nuova scheda)

    «far more incidents of cable damage occur each week than is covered in the news»

  45. Fibre Systems, gli squali non mangiano i cavi (ICPC) (si apre in una nuova scheda)

    «Essentially, sharks and other fish were responsible for less than one per cent of all cable faults up to 2006.»

  46. TeleGeography, What happens when submarine cables break (si apre in una nuova scheda)

    «According to data from the International Submarine Cable Protection Committee fish bites (a category that includes sharks) accounted for zero cable faults between 2007 and 2014.»

  47. Fibre Systems, gli squali non mangiano i cavi (ICPC) (si apre in una nuova scheda)

    «ships’ anchoring and fishing activities are the main culprit for cable failures, accounting for 65-75 per cent of all cable faults»

  48. US-China Economic and Security Review Commission, risposta del contrammiraglio Brookes (si apre in una nuova scheda)

    «measures the time it takes for reflections to return, indicating the damage location.»

  49. Google Patents, US6028684 (si apre in una nuova scheda)

    «the repeaters also include an optical isolator that limits the propagation of the optical signal to a single direction.»

  50. Wikipedia, Submarine communications cable (si apre in una nuova scheda)

    «C-OTDR (Coherent Optical Time Domain Reflectometry) is used in submarine cables to detect the location of cable faults.»

  51. US-China Economic and Security Review Commission, risposta del contrammiraglio Brookes (si apre in una nuova scheda)

    «Repairs in waters shallower than 1,500 meters are typically conducted using a Remotely Operated Vehicle (ROV) to retrieve the damaged cable from the seafloor»

  52. US-China Economic and Security Review Commission, risposta del contrammiraglio Brookes (si apre in una nuova scheda)

    «Repairs in deep waters generally take a week or more and employ grapnels to bring the cable to the surface for repair.»

  53. TE SubCom, problemi dell'industria nella riparazione dei cavi (2011) (si apre in una nuova scheda)

    «One common method starts with the ship dragging a cutting grapnel to cut the cable»

  54. TE SubCom, problemi dell'industria nella riparazione dei cavi (2011) (si apre in una nuova scheda)

    «A typical repair may take several days for the ship to reach fault position, 3-5 days with ship on site, longer for bad weather or other factors»

  55. TE SubCom, problemi dell'industria nella riparazione dei cavi (2011) (si apre in una nuova scheda)

    «A fault location may take hours or days to confirm, and may be imprecise, depending on type and number of faults & network design»

  56. TE SubCom, problemi dell'industria nella riparazione dei cavi (2011) (si apre in una nuova scheda)

    «Shore instruments measure length of cable to fault, but if cable has been dragged off its route, position is changed.»

  57. US-China Economic and Security Review Commission, risposta del contrammiraglio Brookes (si apre in una nuova scheda)

    «There are approximately 65 cable ships globally focused on fiber-optic communication cables.»

  58. Nature Photonics, paper del 2025 (PMC) (si apre in una nuova scheda)

    «with a measured loss of 0.091 dB km−1 at 1,550 nm that remains below 0.2 dB km−1 over a window of 66 THz»

  59. Nature Photonics, paper del 2025 (PMC) (si apre in una nuova scheda)

    «state-of-the-art fibres offering values of 0.14 dB km−1»

  60. ETHW, TAT-8 milestone (si apre in una nuova scheda)

    «which spanned a seabed distance of 5,846 km between North America and Europe»

  61. ETHW, TAT-8 milestone (si apre in una nuova scheda)

    «It had a capacity equivalent to 40,000 telephone circuits which was ten times the capacity of the last copper cable.»

  62. ETHW, TAT-8 milestone (si apre in una nuova scheda)

    «silicon for repeaters running at 280 Mbps and with very low failure rates.»

  63. Wikipedia, Dunant (si apre in una nuova scheda)

    «Dunant is a private 250 Tbit/s 6,600 kilometre transatlantic communications cable»

  64. Wikipedia, Amitié (si apre in una nuova scheda)

    «applied for a license to land and operate a 6,800-kilometre optical submarine cable from the US in August 2020.»

  65. ConvergeDigest, Nuvem (si apre in una nuova scheda)

    «FCC filings submitted by Google subsidiaries describe the system as spanning approximately 7,194 km (4,470 miles) and supporting 16 fiber pairs»

  66. ConvergeDigest, Nuvem (si apre in una nuova scheda)

    «The project is targeting ready-for-service status in the second half of 2026.»

  67. ISPreview, EXA Meridian (si apre in una nuova scheda)

    «a new 6,552km long transatlantic subsea fibre optic cable between New Jersey (USA) and Brean (UK)»

  68. ISPreview, EXA Meridian (si apre in una nuova scheda)

    «With a Ready For Service (RFS) date set for 2029»