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

Technische Samenvatting: Optimalisatie van C-band Kwantumverkeer dat Coëxisteert met O-band Klassiek Verkeer

Probleemstelling
De uitrol van grootschalige kwantumnetwerken vereist het gebruik van bestaande telecommunicatie-glasvezelinfrastructuur in plaats van dedicated "dark fibers", die onpraktisch en prohibitief duur zijn. Een kritieke uitdaging in dergelijke co-propagatie scenario's is de coëxistentie van laag vermogen kwantumsignalen met hoog vermogen klassiek verkeer binnen dezelfde single-core, single-mode vezel. De primaire beperking in dergelijke scenario's is Spontane Raman-verstrooiing (SpRS). In dit proces worden fotonen van het klassieke signaal over een breed spectrum verstrooid, wat ruis genereert die binnen het spectrale bandbereik van het co-propagerende kwantumsignaal kan vallen. Hoewel er theoretische modellen voor Raman-verstrooiing bestaan, slagen deze er vaak niet in de fijne spectrale structuur te vatten die wordt waargenomen in standaardvezels onder realistische omstandigheden. Bovendien vertrouwden eerdere experimentele studies vaak op lasers met een smalle lijnbreedte in laboratoria of ruimtelijke/temporele multiplexing-architecturen, wat niet overeenkomt met de beperkingen van uitgerolde stedelijke glasvezelinfrastructuren die gebruikmaken van commerciële componenten uit de handel.

Methodologie
Dit werk onderzoekt experimenteel de C-band SpRS-ruis gegenereerd door O-band klassiek verkeer in een standaard single-mode vezelomgeving. De studie wordt uitgevoerd met de National Quantum Internet.it testopstelling aan de Universiteit van Napels Federico II.

• Experimentele Opstelling: De onderzoekers gebruikten commerciële SFP optische transceivers (specifiek Finisar en Huawei modules) werkend op 1310 nm (O-band) als de klassieke bron. In tegenstelling tot eerdere studies werd er geen ruimtelijke of temporele multiplexing gebruikt; signalen co-propageerden simultaan.
• Filtering en Isolatie: Om de signaalzuiverheid te waarborgen, maakte de opstelling gebruik van gecascadeerde WDM-filters om de O-band bron te isoleren en uit-van-band componenten te onderdrukken. Bij de ontvanger isoleerde een tweede WDM-cascade de C-band, gevolgd door een narrowband instelbare filter (25 GHz bandbreedte) om ITU-kanalen 15 tot 63 te scannen.
• Detectie: SpRS-fotonen werden gedetecteerd met een Superconducting Nanowire Single-Photon Detector (SNSPD) werkend bij 2,2 K, met een detectie-efficiëntie van ~80% en een dark count rate van ~100 cps.
• Variabelen: Experimenten werden uitgevoerd over vezelspoelen van variërende lengtes (100 m, 500 m en 5 km) om verschillende stedelijke scenario's te simuleren. De studie vergeleken ook resultaten tussen commerciële SFPs en een laser met een smalle lijnbreedte om de bronafhankelijkheid te beoordelen.

Belangrijkste Bijdragen en Modellering
De primaire bijdrage van dit werk is de afleiding van een compact, voorspellend model voor SpRS-ruis dat onafhankelijk is van de specifieke gebruikte optische bron.

• Het Model: De auteurs stellen een model voor de SpRS count rate ($C_{SpRS}$) voor als functie van bronvermogen, vezellengte en golflengte:
  $$C_{SpRS}(S_{src}, \lambda, L) = S_{src} A(\lambda) \frac{e^{-\alpha_c L} - e^{-\alpha_o L}}{\alpha_o - \alpha_c}$$
  Hierbij is $S_{src}$ een bronafhankelijke schaalfactor, en de attenuatieterm houdt rekening met de effectieve interactielengte gebaseerd op de O-band ($\alpha_o$) en C-band ($\alpha_c$) vezelverliezen.
• Spectraal Profiel ($A(\lambda)$): In tegen tegenover de algemene theoretische modellen, wordt de Raman-verstrooiingscoëfficiënt $A(\lambda)$ gemodelleerd als een vierde-graads polynoom die rechtstreeks uit experimentele data is afgeleid. Deze aanpak vangt de specifieke spectrale variaties en fijne structuren die in de testopstelling worden waargenomen.
• Validatie: Het model werd gevalideerd tegen experimentele data van drie verschillende bronnen (twee commerciële SFPs en één laser) over meerdere vezellengtes. De relatieve fout tussen het model en de experimentele data was laag (bijv. 2,7% tot 5,1% voor 500 m en 5 km lengtes), wat de robuustheid en de bron-agnostische aard van het model bevestigt.

Resultaten

• Identificatie van Optimale Kanalen: De experimentele data en het afgeleide model identificeren consistent een spectraal minimum in de SpRS-ruis rond 1535 nm (ITU Kanaal 44). Dit sugggeert dat Kanaal 44 het meest geschikte C-band kanaal is voor kwantumsignaaltransmissie wanneer gecombineerd met 1310 nm klassiek verkeer.
• Impact van Filtering: De studie toonde aan dat het cascaderen van WDM-componenten essentieel is voor het isoleren van het signaal van belang. Hoewel het verhogen van het aantal WDM's zorgt voor insertieverlies, vermindert het de count fluctuaties aanzienlijk en onderdrukt het effectief de resterende out-of-band ruis.
• Brononafhankelijkheid: Het model voorspelde succesvol het SpRS-gedrag voor verschillende hardwarefabrikanten (Finisar vs. Huawei) en verschillende brontypen (commerciële SFP vs. narrow-linewidth laser), wat bewijst dat het onderliggende fysieke gedrag wordt gevangen ongeacht de interne architectuur van de specifieke emitter.
• Lengteafhankelijkheid: Het model beschrijft nauwkeurig de schaling van de ruis met de vezellengte. Hoewel afwijkingen iets prominenter waren bij zeer korte lengtes (100 m) waar Raman-counts minder significant zijn vergeleken met achtergrondruis, bleef de globale trend en de identificatie van het spectrale minimum betrouwbaar.

Betekenis
Het artikel stelt dat deze resultaten de weg vrijmaken voor een parameter-robuuste beschrijving van Raman-verstrooiing die toepasbaar is op diverse vezelgebaseerde systemen. Door een voorspellend model te bieden dat geen directe spectrale metingen vereist voor elke nieuwe configuratie, biedt dit werk een praktisch instrument voor het ontwerpen en optimaliseren van kwantum-klassieke coëxistentie. Specifiek maakt het de identificatie mogelijk van optimale C-band kanalen voor kwantumallocatie die het minst worden beïnvloed door SpRS-ruis van O-band klassiek verkeer. Dit is een fundamentele stap naar het mogelijk maken van de grootschalige uitrol van kwantumnetwerken over bestaande stedelijke glasvezelinfrastructuren zonder de noodzaak van dedicated dark fibers.