[논문 리뷰] Reducing spontaneous Raman scattering noise in high quantum bit rate QKD systems over optical fiber

Michal Mlejnek, Nikolay Kaliteevskiy외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 16.

Optical Network Technologies참고 문헌 10인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 장거리 광섬유를 통해 고비트레이트 양자열쇠분배(QKD) 시스템에서의 자발적 라만 산란 노이즈를 분석하여, 고전적 신호와 색산도 분산의 영향을 고려하여 이를 해결한다. 공명 모드 형식과 전방 오류 정정(FEC)을 통해 라만 노이즈를 감소시키는 방법을 제안하며, 저손실 섬유에서 통신 파장에서의 라만 이득이 최소화되는 조건에서 수십 km에서 수백 km에 이르는 거리에서 다중 양자 채널과 同시 100 Gb/s 고속 고전적 채널을 전송할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

We investigate (a) spontaneous Raman scattering of classical signals in long optical fiber links leading to significant Raman noise in quantum channels propagating in the same fiber and (b) impact of chromatic dispersion on the performance of high quantum bit rate QKD systems. One way of decreasing Raman noise is to decrease the classical signal power. This may be achieved by the use of coherent modulation formats and the deployment of Forward Error Correction technology. Additionally, low loss fiber with small Raman gain at telecom wavelengths enables the simultaneous transmission of multiple quantum channels and one or a few classical channels at 100 Gb/s rate over tens, possibly hundreds, of kilometers.

연구 동기 및 목표

• 장거리 광섬유 링크에서 고전적 신호에 의한 자발적 라만 산란이 양자 채널에 미치는 영향을 분석한다.
• 색산도 분산이 고비트레이트 QKD 시스템 성능에 미치는 영향을 조사한다.
• 시스템 용량이나 전송 거리에 영향을 주지 않으면서도 라만 노이즈를 억제할 수 있는 실용적인 방법을 규명한다.
• 수십 km에서 수백 km에 이르는 거리에서 다중 양자 채널과 고속 고전적 채널(100 Gb/s)을 동시에 공유 전송할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 양자 채널과 동일한 섬유에서 고전적 신호에 의해 생성되는 라만 산란 노이즈를 모델링한다.
• 공명 모드 형식이 고전적 신호 전력 감소에 기여하여 라만 노이즈 억제에 얼마나 효과적인지 평가한다.
• 잔류 노이즈를 완화하고 시스템 내성 향상을 위해 전방 오류 정정(FEC)을 적용한다.
• 1550 nm에서 라만 이득이 최소화된 저손실 섬유를 사용하여 비선형 교차 간섭을 줄이는 시스템 구성 설계를 한다.
• 다양한 분산 및 전력 조건 하에서 수십 km에서 수백 km에 이르는 거리에서의 시스템 성능을 시뮬레이션한다.
• 양자 채널의 시야도와 고전적 신호 무결성 간 균형을 맞추기 위해 채널 간격과 전력 할당을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고출력 고전적 신호에 의한 자발적 라만 산란은 장거리 광섬유 링크에서 양자 채널 성능을 어떻게 악화시키는가?
• RQ2 색산도 분산은 고속 QKD 시스템에서 달성 가능한 양자 비트레이트에 얼마나 큰 제한을 가하는가?
• RQ3 공명 모드 형식과 FEC는 고전적 데이터 전송 속도를 희생시키지 않고도 라만 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 단일 섬유에서 하나 이상의 100 Gb/s 고전적 채널과 함께 공유 전송할 수 있는 최대 양자 채널 수는 얼마인가?
• RQ5 하이브리드 양자-고전적 전송에서 교차 간섭을 최소화하기 위해 최적의 섬유 파ameter(예: 라만 이득 계수, 손실)는 무엇인가?

주요 결과

• 공명 모드 형식은 고전적 신호 전력을 크게 감소시켜 공유 전송되는 양자 채널에서의 라만 노이즈를 효과적으로 억제한다.
• 전방 오류 정정(FEC)을 통해 잔류 라만 노이즈 조건에서도 신뢰성 있는 시스템 운영이 가능해지며, 이로 인해 시스템 내성이 향상된다.
• 1550 nm에서 라만 이득이 최소화된 저손실 섬유는 수십 km에서 수백 km에 이르는 거리에서 다중 양자 채널과 100 Gb/s 고전적 채널을 동시에 전송할 수 있도록 지원한다.
• 색산도 분산은 QKD 성능에 측정 가능한 영향을 미치지만, 적절한 시스템 설계 및 분산 보정을 통해 관리할 수 있다.
• 최적의 조건에서 100 Gb/s 고전적 채널과 다중 양자 채널의 공존은 단일 섬유에서 실현 가능하다.
• 시스템 시뮬레이션 결과, 고급 변조 방식과 FEC를 통해 고전적 신호 전력을 감소시키면 라만 노이즈가 관리 가능하며, 이는 고비트레이트 QKD를 가능하게 한다.