Теоретическое исследование схемы использования оптического усилителя EDFA, улучшающей производительность системы распределения квантовых ключей, интегрированной в оптическую транспортную сеть с применением технологии WDM

Исследуется вариант схемы применения волоконно – оптического усилителя (EDFA) на основе волокна, легированного ионами эрбия, предназначенный для повышения эффективности сеанса распределения квантового ключа и передачи информации по классическим каналам проводимых одновременно в одном оптическом волокне. Методами численного моделирования проведено теоретическое исследование возможности использования EDFA исследуемым способом. Математическая модель основана на уравнениях динамики EDFA и уравнениях, определяющих скорость генерации секретного ключа в случае распределения квантового ключа на боковых частотах. Описан метод определения оптимальных параметров исследуемой схемы и проведена оценка целесообразности использования EDFA исследуемым способом. Проведен сравнительный анализ производительности системы распределения квантовых ключей на боковых частотах при интеграции в оптическую сеть с точки зрения скорости генерации защищенного ключа для случаев, когда EDFA либо используется, либо нет. Полученные результаты демонстрируют высокую эффективность исследуемой схемы, т.е. увеличивается максимально достижимая дальность безопасного распределения ключей при сохранении эффективности передачи информации.

1. Scarani V., Bechmann-Pasquinucci H., Cerf J.N., Duˇ sek M., L¨utkenhaus N., Peev M. The security of practical quantum key distribution. Reviews of Modern Physics, 2009, 81 (3), P. 1301–1350.

2. Pirandola S., Andersen U.L., Banchi L., Berta M., Bunandar D., Colbeck R., Englund D., GehringT., LupoC., Ottaviani C., Pereira J.L., Razavi M., Shamsul Shaari J., Tomamichel M., Usenko V.C., Vallone G., Villoresi P., Wallden P. Advances in quantum cryptography. Advances in Optics and Photonics, 2020, 12 (4), 1012.

3. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum cryptography. Reviews of Modern Physics, 2002, 74 (1), P. 145–196.

4. Mlejnek M., Kaliteevskiy N., Nolan D.A. Reducing spontaneous Raman scattering noise in high quantum bit rate QKD systems over optical fiber. 2017, URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1712/1712.05891.pdf.

5. Niu J.-N., Sun Y.-M., Cai C., Ji-Y.-F. Optimized channel allocation scheme for jointly reducing four-wave mixing and Raman scattering in the DWDM-QKDsystem. Applied Optics, 2018, 57 (27), 7987.

6. Kumar R., Qin H., All´eaume R. Coexistence of continuous variable QKD with intense DWDM classical channels. New J. of Physics, 2015, 17, 043027.

7. Gleim A.V., Egorov V.I., Nazarov Y.V., Smirnov S.V., Chistyakov V.V., Bannik O.I., Anisimov A.A., Kynev S.M., Ivanova A.E., Collins R.J., et al. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference. Optics Express, 2016, 24 (3), P. 2619–2633.

8. Merolla J., Mazurenko Y., Goedgebuer J.P. Quantum Gryptography using Frequency Modulation of Weak Ligh Pulses. Proceedings of European Quantum Electronics Conference. Glasgow, UK, Technical Digest of EQEC 1998, 1998, 101.

9. Choi I., Zhou Y.R., F.-Dynes J., Yuan Z., Klar A., Sharpe A., Plews A., Lucamarini M., Radig C., Neubert J., Griesser H., Eiselt M., Chunnilall C., Lepert G., Sinclair A., Elbers Z.-P., Lord A., Shields A. Field trial of a quantum secured 10 Gb/s DWDM transmission system over a single installed fiber. Optics Express, 2014, 22 (19), 23121.

10. Sharma R., Raghuwanshi S.K. Computer Model for EDFA Dynamics Over 1525-1560nm Band Using a Novel Multi-Wavelength MATLAB Simulink Test Bed for 8-Channels. IETE J. of Research, 2018, 64 (6), P. 814–831.

11. Pinter S., Jean J., Fernando X. A dynamic multi-wavelength simulink model for EDFA. Proceedings of Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering 2004, Niagara Falls, Ontario, Canada, IEEE, 2004, P. 2077–2080.

12. Giles C.R., Desurvire E. Modeling erbium-doped fiber amplifiers. J. of Lightwave Technology, 1991, 9 (2), P. 271–283.

13. Lebedev V.F., Serduk K.V., Fomenko I.N. Laser Technology. St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, St. Petersburg, 2021, 45 p.

14. Kiselev F., Veselkova N., Goncharov R., Egorov V. A theoretical study of subcarrier-wave quantum key distribution system integration with an optical transport network utilizing dense wavelength division multiplexing. J. of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2021, 54 (13), 135502.

15. Pradhan D., Vivekanand M. Analysis and Review of EDFA. Int. J. of Computer Science and Network, 2015, 4 (6), P. 918–923.