Quantum Key Distribution (QKD) allows unconditional security based on quantum mechanics. Recently developed QKD systems have already exceeded 1Mbps secure key rate and 200km transmission distance. However, most experiments and field demonstration have been conducted though dark fibers in point-to-point network. In this thesis, we study the feasibility of coexistence of quantum signals together with classical optical signals in the same fiber through different Passive Optical Networks (PONs) based on Time-Division Multiplexing (TDM) or Wavelength-Division Multiplexing (WDM) technologies.
The main difficulty in the coexistence of quantum and classical signals is spontaneous Raman scattering (SpRS) noise. Since the power level difference between classical signal and quantum signal can reach 100 dB, which will produce strong SpRS noise over 240 nm wavelength range. In order to reduce the SpRS noise, we can apply three methods, including temporal filtering, spectral filtering and reducing transmission power. First of all, the Raman noise is the sum of the Raman noise from feeder fiber and drop fiber. In both TDM-PON and WDM-PON, compared to the forward Raman noise, the backward Raman noise is the dominant noise. In addition, the system is asymmetric because of the branching device and drop fiber (5~10km) in optical network unit (ONU)`s side. In the simulation, there are 16 upstream and 16 downstream channels in the feeder fiber and 2 channels in each drop fiber for the WDM-PON case. As a result, the power of the Raman noise is dependent on position of the single photon detector (Bob). At last, we simulated the secure key rates and QBERs by considering concise security bound for decoy-state QKD protocol and considering Raman noise as dark counts of quantum receiver.
We found a small wavelength window for the coexistence of quantum channel and classical channels in both TDM-PON and WDM-PON cases, we found that ITU-T channel (DWDM standard) is the best choice for the wavelength of QKD channel. Besides, we found out that it is better to put the quantum receiver (Bob) in ONU`s side than in Central Office`s side.
At last, by deploying three suppression methods for spontaneous Raman noise generated from multiple classical DWDM channels or classical TDM channels on a QKD wavelength, WDM is found out to be better than TDM in terms of higher secret key rate and lower QBER.
양자 암호 통신을 도입하기 위해서는 별도의 광섬유를 사용하지 않고 기존에 포설된 광섬유를 이용해야 한다. 그러나, 강한 기존 통신신호에 의한 라만 산란 (Raman Scattering) 라는 잡음 광이 양자채널에 주는 영향이 매우 크므로 이를 체계적으로 분석하여야 한다.
본 논문에서 기존 채널의 영향을 분석하여 공존 가능한 양자 채널의 파장 영역을 찾아 냈으며, 양자 채널을 어떻게 배치하는 것이 좋은지에 대한 기준을 마련하였다.
라만 산란 (Raman Scattering) 과 같은 비선형 효과로 인해 양자 채널의 QBER이 증가한다. 양자통신 장거리 전송 시 편광이나 위상이 틀어지게 되어 QBER이 높아진다. QBER이 높아지면, 도청자의 공격 가능성이 높아지며 Secure key를 얻지 못하는 상황이 발생할 수도 있다.
변화하는 QBER을 체크하기 위하여 현재 Crosstalk, 라만 산란 등을 고려한 광섬유 모델링을 하였다. TDM-PON 과 WDM-PON 구조에 대한 모델링을 하였다. 하나의 광섬유에 양자채널과 고전채널을 같이 운용(Consolidation)하기 위해 필요한 Signal to Noise Ratio(SNR)를 결정하기 위해 광섬유 모델링 완성했다.
TDMA, WDMA모델링을 위해 AWG, Optical splitter의 손실 등을 고려한 모델링을 완성했다. 현재까지의 분석 결과 WDMA 방식을 사용하였을 때 가장 좋은 성능(Performance)를 보이고 있다. Bob이 ONU 쪽에 있을 때는 CO 쪽에 있을 때보다 라만 산란이 낮다.
이러한 결과는 앞으로 양자 가입자 망의 설계에 활용될 것으로 기대된다.
