Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (2), 178–185
Theoretical study of the EDFA optical amplifier implementation scheme improving the performance of a quantum key distribution system integrated with an WDM optical transport network
Daniil Tupyakov – ITMO University, St. Petersburg, Russia; dvtupiakov@itmo.ru
Nikita Ivankov – ITMO University, St. Petersburg, Russia
Irina Vorontsova – ITMO University, St. Petersburg, Russia
Fedor Kiselev – ITMO University, St. Petersburg, Russia
Vladimir Egorov – ITMO University, St. Petersburg, Russia
Corresponding author: Daniil Tupyakov, dvtupiakov@itmo.ru
DOI 10.17586/2220-8054-2023-14-2-178-185
ABSTRACT A version of an erbium doped fiber amplifier (EDFA) application scheme designed to increase the efficiency of the simultaneous quantum key distribution session and transmission of information by classical channels in a single optical fiber is explored. A theoretical study of the possibility to use EDFA in the explored way was conducted by numerical simulation methods. The mathematical model is based on the EDFA dynamics equations and the equations that determine the secure key generation rate in case of the subcarrier-wave quantum key distribution. A method for determining the optimal parameters of the scheme under study is described and the evaluation of the feasibility of using EDFA in the explored way is performed. A comparative analysis of the subcarrier-wave quantum key distribution system performance when integrated into an optical network is made in terms of the secure key generation rate for the cases when EDFA is either used or not. The results obtained demonstrate high efficiency of the scheme under study, i.e., the maximum achievable distance of the secure key distribution is increased while maintaining the efficiency of the information transmission.
KEYWORDS erbium-doped fiber amplifier, quantum key distribution, subcarrier-wave quantum key distribution.
ACKNOWLEDGEMENTS The work was done by Leading Research Center “National Center for Quantum Internet” of ITMO University by the order of JSCo Russian Railways.
FOR CITATION Tupyakov D., Ivankov N., Vorontsova I., Kiselev F., Egorov V. Theoretical study of the EDFA optical amplifier implementation scheme improving the performance of a quantum key distribution system integrated with an WDM optical transport network. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (2), 178–185.
[In Russian] Д.В. Тупяков, Н.А. Иванков, И.О. Воронцова, Ф.Д. Киселёв, В.И. Егоров
Теоретическое исследование схемы использования оптического усилителя EDFA, улучшающей производительность системы распределения квантовых ключей, интегрированной в оптическую транспортную сеть с применением технологии WDM
АННОТАЦИЯ 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.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА усилитель на эрбиевом волокне, EDFA, квантовое распределение ключа, боковые частоты.
