Optimization of C-band quantum traffic coexisting with O-band classical traffic: preliminary results

Resumen Técnico: Optimización del Tráfico Cuántico en la Banda C que Coexiste con el Tráfico Clásico en la Banda O

Planteamiento del Problema
El despliegue de redes cuánticas a gran escala requiere aprovechar la infraestructura de fibra de telecomunicaciones existente en lugar de fibras "oscuras" dedicadas, las cuales son poco prácticas y prohibitivamente costosas. Un desafío crítico en este contexto es la coexistencia de señales cuánticas de baja potencia con tráfico clásico de alta potencia dentro de la misma fibra monomodo de núcleo único. El principal deterioro en tales escenarios de copropagación es la Dispersión Raman Espontánea (SpRS, por sus siglas en inglés). En este proceso, los fotones de la señal clásica se dispersan a través de un espectro amplio, generando ruido que puede caer dentro de la banda espectral de la señal cuántica que co-propaga. Si bien existen modelos teóricos para la dispersión Raman, estos a menudo no logen capturar la estructura espectral fina observada en fibras estándar bajo condiciones realistas. Además, estudios experimentales previos han dependido frecuentemente de láseres de ancho de línea estrecho de laboratorio o arquitecturas de multiplexación espacial/temporal, los cuales no reflejan las restricciones de las infraestructuras de fibra urbana desplegadas utilizando componentes comerciales de estantería.

Metodología
Este trabajo investiga experimentalmente el ruido SpRS en la banda C generado por el tráfico clásico en la banda O en un entorno de fibra monomodo estándar. El estudio se lleva a cabo utilizando el banco de pruebas National Quantum Internet.it en la Universidad de Nápoles Federico II.

• Configuración Experimental: Los investigadores emplearon transceptores ópticos SFP comerciales (específicamente módulos Finisar y Huawei) que operan a 1310 nm (banda O) como la fuente clásica. A diferencia de estudios previos, no se utilizó multiplexación espacial o temporal; las señales copropagaron simultáneamente.
• Filtrado y Aislamiento: Para asegurar la pureza de la señal, la configuración utilizó filtros WDM en cascada para aislar la fuente de la banda O y suprimir los componentes fuera de banda. En el receptor, una segunda cascada de WDM aisló la banda C, seguida de un filtro sintonizable de banda estrecha (ancho de banda de 25 GHz) para escanear los canales ITU del 15 al 63.
• Detección: Los fotones SpRS fueron detectados mediante un detector de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD) que opera a 2.2 K, logrando una eficiencia de detección de ~80% y una tasa de conteo oscuro de ~100 cps.
• Variables: Los experimentos se realizaron sobre bobinas de fibra de diversas longitudes (100 m, 500 m y 5 km) para simular diferentes escenarios urbanos. El estudio también comparó los resultados entre SFPs comerciales y un láser de ancho de línea estrecho para evaluar la dependencia de la fuente.

Contribuciones Clave y Modelado
La principal contribución de este trabajo es la derivación de un modelo predictivo compacto para el ruido SpRS que es independiente de la fuente óptica específica utilizada.

• El Modelo: Los autores proponen un modelo para la tasa de conteo de SpRS ($C_{SpRS}$) como una función de la potencia de la fuente, la longitud de la fibra y la longitud de onda:
  $$C_{SpRS}(S_{src}, \lambda, L) = S_{src} A(\lambda) \frac{e^{-\alpha_c L} - e^{-\alpha_o L}}{\alpha_o - \alpha_c}$$
  Aquí, $S_{src}$ es un factor de escala dependiente de la fuente, y el término de atenuación contabiliza la longitud de interacción efectiva basada en las pérdidas de la fibra en la banda O ($\alpha_o$) y la banda C ($\alpha_c$).
• Perfil Espectral ($A(\lambda)$): A diferencia de los modelos teóricos generalizados, el coeficiente de dispersión Raman $A(\lambda)$ se modela como un polinomio de cuarto grado derivado directamente de los datos experimentales. Este enfoque captura las variaciones espectíficas y las estructuras finas observadas en el banco de pruebas.
• Validación: El modelo fue validado contra datos experimentales de tres fuentes distintas (dos SFP comerciales y un láser) a través de múltiples longitudes de fibra. El error relativo entre el modelo y los datos experimentales resultó ser bajo (por ejemplo, de 2.7% a 5.1% para longitudes de 500 m y 5 km), confirmando la robustez y la naturaleza agnóstica de la fuente del modelo.

Resultos

• Identificación del Canal Óptimo: Los datos experimentales y el modelo derivado identifican consistentemente un mínimo espectral en el ruido SpRS alrededor de 1535 nm (Canal ITU 44). Esto sugiere que el Canal 44 es el canal de banda C más adecuado para la transmisión de señales cuánticas cuando se co-propaga con tráfico clásico de 1310 nm.
• Impacto del Filtrado: El estudio demostró que la cascada de componentes WDM es esencial para aislar la señal de interés. Si bien aumentar el número de WDM introduce pérdida de inserción, reduce significamente las fluctuaciones de conteo y suprime eficazmente el ruido residual fuera de banda.
• Independencia de la Fuente: El modelo predijo con éxito el comportamiento de la SpRS para diferentes fabricantes de hardware (Finisar vs. Huawei) y diferentes tipos de fuente (SFP comercial vs. láser de ancho de línea estrecho), demostando que el comportamiento físico subyacente se captura independientemente de la arquitectura interna del emisor específico.
• Dependencia de la Longitud: El modelo describe con precisión el escalamiento del ruido con la longitud de la fibra. Aunque las desviaciones fueron ligeramente más pronunciadas en longitudes muy cortas (100 m), donde los conteos Raman son menos significativos en comparación con el ruido de fondo, la tendencia global y la identificación del mínimo espectral se mantuvieron fiables.

Significancia
El artículo postula que estos resultados allanan el camino para una descripción de la dispersión Raman robusta ante parámetros, aplicable a diversos sistemas basados en fibra. Al proporcionar un modelo predictivo que no requiere mediciones espectrales directas para cada nueva configuración, este trabajo ofrece una herramienta práctica para diseñar y optimizar la coexistencia cuántica-clásica. Específicamente, permite la identificación de canales de banda C óptimos para la asignación cuántica que están menos afectados por el ruido SpRS de la transmisión clásica en la banda O. Este es un paso fundamental hacia la habilitación del despliegue a gran escala de redes cuánticas sobre las infraestructuras de fibra urbana existentes sin la necesidad de fibras oscuras dedicadas.