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

Sintesi Tecnica: Ottimizzazione del traffico quantistico in banda C in coesistenza con il traffico classico in banda O

Problematica
La distribuzione di reti quantistiche su larga scala richiede l'impiego delle esistenti infrastrutture in fibra per telecomunicazioni, piuttosto che l'uso di fibre "dark" dedicate, che risultano impraticabili e proibitive in termini di costi. Una sfida critica in questo contesto è la coesistenza di segnali quantistici a bassa potenza con traffico classico ad alta potenza all'interno della stessa fibra monomodale a singolo core. Il principale impedimento in tali scenari di co-propagazione è lo Scattering Raman Spontaneo (SpRS). In questo processo, i fotoni del segnale classico vengono dispersi attraverso uno spettro ampio, generando rumore che può ricadere nella banda spettrale del segnale quantistico co-propagante. Sebbene esistano modelli teorici per lo scattering Raman, essi spesso non riescono a catturare la struttura spettrale fine osservata nelle fibre standard in condizioni realistiche. Inoltre, precedenti studi sperimentali si sono spesso basati su laser a larghezza di riga stretta in ambiente di laboratorio o su architetture di multiplexing spaziale/temporale, che non riflettono i vincoli delle infrastrutture in fibra urbana distribuite che utilizzano componenti commerciali off-the-shelf.

Metodologia
Questo lavoro investiga sperimentalmente il rumore SpRS in banda C generato da traffico classico in banda O in un ambiente di fibra monomodale standard. Lo studio è condotto utilizzando la testbed National Quantum Internet.it presso l'Università degli Studi di Napoli Federico II.

• Setup Sperimentale: I ricercatori hanno impiegato transceiver ottici SFP commerciali (specificamente moduli Finisar e Huawei) operanti a 1310 nm (banda O) come sorgente classica. A differenza di studi precedenti, non è stato utilizzato alcun multiplexing spaziale o temporale; i segnali co-propagavano simultaneamente.
• Filtraggio e Isolamento: Per garantire la purezza del segnale, il setup ha utilizzato filtri WDM in cascata per isolare la sorgente in banda O e sopprimere le componenti fuori banda. Al ricevitore, una seconda cascata WDM ha isolato la banda C, seguita da un filtro sintonizzabile a banda stretta (larghezza di banda di 25 GHz) per scansionare i canali ITU dal 15 al 63.
• Rilevamento: I fotoni SpRS sono stati rilevati tramite un rilevatore di singoli fotoni a nanofili superconduttori (SNSPD) operante a 2,2 K, raggiungendo un'efficienza di rilevamento di circa l'80% e un tasso di conteggio scuro (dark count rate) di circa 100 cps.
• Variabili: Gli esperimenti sono stati condotti su bobine di fibra di lunghezze variabili (100 m, 500 m e 5 km) per simulare diversi scenari urbani. Lo studio ha inoltre confrontato i risultati tra SFP commerciali e un laser a larghezza di riga stretta per valutare la dipendenza dalla sorgente.

Contributi Chiave e Modellazione
Il principale contributo di questo lavoro è la derivazione di un modello predittivo compatto per il rumore SpRS, indipendente dalla specifica sorgente ottica utilizzata.

• Il Modello: Gli autori propongono un modello per il tasso di conteggio SpRS ($C_{SpRS}$) come funzione della potenza della sorgente, della lunghezza della fibra e della lunghezza d'onda:
  $$C_{SpRS}(S_{src}, \lambda, L) = S_{src} A(\lambda) \frac{e^{-\alpha_c L} - e^{-\alpha_o L}}{\alpha_o - \alpha_c}$$
  Qui, $S_{src}$ è un fattore di scala dipendente dalla sorgente, e il termine di attenuazione tiene conto della lunghezza di interazione effettiva basata sulle perdite della fibra in banda O ($\alpha_o$) e banda C ($\alpha_c$).
• Profilo Spettrale ($A(\lambda)$): A differenza dei modelli teorici generalizzati, il coefficiente di scattering Raman $A(\lambda)$ è modellato come un polinomio di quarto grado derivato direttamente dai dati sperimentali. Questo approccio cattura le variazioni spettrali specifiche e le strutture fini osservate nella testbed.
• Validazione: Il modello è stato validato rispetto ai dati sperimentali di tre diverse sorgenti (due SFP commerciali e un laser) attraverso molteplici lunghezze di fibra. L'errore relativo tra il modello e i dati sperimentali è risultato basso (ad esempio, dal 2,7% al 5,1% per lunghezze di 500 m e 5 km), confermando la robustezza e la natura agnostica rispetto alla sorgente del modello.

Risultati

• Identificazione del Canale Ottimale: I dati sperimentali e il modello derivato identificano costantemente un minimo spettrale nel rumore SpRS intorno a 1535 nm (Canale ITU 44). Ciò suggerisce che il Canale 44 è il canale in banda C più adatto per la trasmissione di segnali quantistici in co-propagazione con traffico classico a 1310 nm.
• Impatto del Filtraggio: Lo studio ha dimostrato che il cascadamento dei componenti WDM è essenziale per isolare il segnale di interesse. Sebbene l'aumento del numero di WDM introduca perdita di inserzione, esso riduce significatamente le fluttuazioni del conteggio e sopprime efficacemente il rumore residuo fuori banda.
• Indipendenza dalla Sorgente: Il modello ha predetto con successo il comportamento SpRS per diversi produttori di hardware (Finisar vs. Huawei) e per diversi tipi di sorgente (SFP commerciale vs. laser a larghezza di riga stretta), provando che il comportamento fisico sottostante è catturato indipendentemente dall'architettura interna dell'emettitore specifico.
• Dipendenza dalla Lunghezza: Il modello descrive accuratamente la scalabilità del rumore con la lunghezza della fibra. Sebbene le deviazioni siano state leggermente più pronunciate a lunghezze molto brevi (100 m), dove i conteggi Raman sono meno significativi rispetto al rumore di fondo, l'andamento globale e l'identificazione del minimo spettrale sono rimasti affidabili.

Significatività
L'articolo sostiene che questi risultati aprono la strada a una descrizione parametrica-robusta dello scattering Raman applicabile a diverse sistemi a fibra. Fornendo un modello predittivo che non richiede misurazioni spettrali dirette per ogni nuova configurazione, il lavoro offre uno strumento pratico per progettare e ottimizzare la coesistenza quantistico-classica. Nello specifico, consente l'identificazione dei canali in banda C ottimali per l'allocazione quantistica, meno influenzati dal rumore SpRS proveniente dal traffico classico in banda O. Questo è un passo fondamentale verso l'abilitazione della distribuzione su larga scala di reti quantistiche su esistenti infrastrutture in fibra urbana senza la necessità di fibre dark dedicate.