Experimental Characterization and Model Validation of Interference in Classical-QKD Coexistence Transmission

Resumen Técnico: Caracterización Experimental y Validación de Modelo de Interferencia en Transmisión Coexistente Clásica-QKD

1. Planteamiento del Problema

La distribución de claves cuánticas (QKD) ofrece intercambio de claves físicamente seguro, pero su despliegue práctico requiere compartir la infraestructura de fibra óptica existente con señales de comunicación clásicas para optimizar costos. Sin embargo, la coexistencia de señales clásicas (alta potencia) y cuánticas (baja potencia) en el mismo enlace genera interferencias severas que degradan la tasa de clave secreta (SKR).
Los principales desafíos identificados son:

• Ruido de emisión espontánea amplificada (ASE): Puede filtrarse, pero no es el único problema.
• Efectos no lineales: En fibras de núcleo de sílice, estos son inmitigables. Los más críticos son:
  • Dispersión Raman Espontánea (SpRS): Un efecto bidireccional de banda ancha que requiere una separación espectral significativa entre canales clásicos y cuánticos.
  • Mezcla de cuatro ondas (FWM): Un efecto de banda estrecha que se vuelve dominante cuando el canal cuántico se coloca adyacente a canales clásicos de alta potencia que se propagan en la misma dirección (co-propagación).

La falta de modelos teóricos precisos para predecir estas interferencias en escenarios de coexistencia limita la optimización de las redes híbridas.

2. Metodología

Los autores realizaron una caracterización experimental exhaustiva para validar un modelo semi-analítico desarrollado previamente. El enfoque se dividió en dos escenarios clave:

• Configuración Experimental:

  • Para SpRS: Se utilizó una fuente de luz sintonizable (TLS) que barría el espectro de 1350 a 1680 nm a 6 dBm. La señal clásica se emuló con un espectro cargado en la banda C (ruido ASE), aplanado mediante un conformador de espectro (WS) y amplificado. Se midió el ruido tanto en propagación contra-propagante como co-propagante.
  • Para FWM: Se midió el ruido en 194.7 THz (1539.8 nm) utilizando tonos de onda continua (CW) no modulados colocados a ±50 y ±100 GHz del canal cuántico. Se empleó un filtrado espectral para suprimir la diafonía antes de la transmisión.
  • Entorno: Todos los señales se propagaron a través de bobinas de fibra monomodo (SMF) con un perfil de atenuación medido específicamente.

• Validación del Modelo:

  • Se compararon los resultados experimentales con un modelo semi-analítico integral (referenciado en [3] del artículo) que estima la densidad espectral de potencia (PSD) del ruido generado por efectos no lineales, basándose en el espectro de potencia clásico y parámetros de la fibra (eficiencia SpRS, coeficiente de no linealidad $\gamma$, dispersión de velocidad de grupo $\beta_2$).

3. Contribuciones Clave

• Caracterización Experimental Directa: Se proporcionan datos experimentales reales sobre la eficiencia de SpRS en función de la separación de frecuencias y la potencia de bombeo, así como el ruido FWM en función de la longitud de la fibra y la potencia del canal.
• Validación de un Modelo Semi-Analítico: Se demuestra que el modelo teórico desarrollado por los autores predice con alta precisión el ruido de interferencia en escenarios complejos de coexistencia.
• Análisis Comparativo de Escenarios: Se distingue claramente cuándo domina la SpRS (en esquemas multi-banda) y cuándo domina la FWM (en co-propagación adyacente), ofreciendo guías prácticas para el diseño de redes.

4. Resultados Principales

• Eficiencia SpRS (Fig. 2a): Se confirmó que la eficiencia de SpRS aumenta para bombas en longitudes de onda más bajas (debido a la reducción del área efectiva) y es mayor en la región de Stokes. Esto implica que los esquemas QKD con señales clásicas en frecuencias más bajas sufren interferencias incluso con separaciones espectrales >200 nm.
• Ruido SpRS Multi-banda (Fig. 2b):
  • Existe un buen acuerdo entre la teoría y la medición.
  • En contra-propagación, el ruido en las bandas O y E se estabiliza (plateau) cuando la SpRS se vuelve despreciable, limitándose al ruido de fondo y al ASE retrodispersado por Rayleigh.
  • En co-propagación, el ruido ASE no filtrado domina, haciendo necesario el filtrado en muesca (notch-filtering) para la transmisión QKD.
• Ruido FWM (Fig. 2c):
  • La solución teórica exacta para FWM coincide perfectamente con los datos experimentales.
  • La aproximación lineal promediada del modelo, aunque no captura las oscilaciones rápidas, ofrece una precisión suficiente para todo el conjunto de datos medidos, lo que permite una computación numérica más eficiente.
  • El ruido FWM crece con la longitud de la fibra y la potencia de los canales, confirmando su impacto crítico en configuraciones adyacentes.

5. Significado e Impacto

Este trabajo es fundamental para el despliegue práctico de redes cuánticas sobre infraestructura existente. Al validar un modelo preciso para la estimación de ruido, los ingenieros y operadores de red pueden:

1. Optimizar el uso de la fibra: Determinar con seguridad dónde colocar los canales cuánticos y clásicos sin necesidad de fibras oscuras dedicadas.
2. Predecir el rendimiento: Calcular las tasas de clave secreta (SKR) esperadas en diferentes configuraciones de potencia y longitud de enlace.
3. Diseñar esquemas de mitigación: Entender cuándo es suficiente la separación espectral (para SpRS) y cuándo se requieren técnicas de filtrado o gestión de potencia (para FWM).

En conclusión, el estudio cierra la brecha entre la teoría y la práctica en la coexistencia de redes cuánticas y clásicas, proporcionando herramientas validadas para el diseño de infraestructuras de comunicación segura y eficiente.