도시 광망에서 클래식·양자 동시 전송을 위한 용량·키율 최적화

초록

본 연구는 메트로폴리탄 DWDM 환경에서 연속변수 QKD와 고전 채널이 동시에 전송될 때, 전력 레짐에 따라 최적의 가드밴드 폭을 찾아 SKR을 108 % 향상시키고 고전 용량 손실을 최소화하는 설계 규칙을 제시한다.

상세 분석

논문은 메트로폴리탄 거리(10–25 km)에서 CV‑QKD와 고전 DWDM 채널이 공존할 때 발생하는 비선형 잡음, 특히 스펙트럼 의존성이 큰 포와이브 믹싱(FWM)과 넓은 대역폭을 갖는 라만 산란(SpRS)을 정량화한다. 저전력 구간(‑5 dBm 이하)에서는 SpRS가 주된 잡음원으로, 가드밴드 폭을 늘려도 SKR에 거의 영향을 주지 않는다. 반면 고전 전력(‑1 dBm0 dBm)에서는 FWM이 전력의 세제곱에 비례해 급격히 증가하며, 채널 간 주파수 간격이 작을수록 위상 매칭이 강화돼 양자 신호에 큰 노이즈를 주입한다. 따라서 양자 채널을 스펙트럼 가장자리(밴드‑엣)로 배치하고 23채널(100–150 GHz)의 일방향 가드밴드를 적용하면, 위상 매칭이 크게 감소해 ξ_B(과잉 노이즈)가 최소화된다. 실험적 파라미터(α=0.2 dB/km, γ=1.3 W⁻¹km⁻¹, β₂=‑21.7 ps²/km 등)를 이용한 모델링 결과, 밴드‑엣에 3채널 가드밴드를 두면 SKR가 38 Mbit/s까지 회복되고, 고전 용량 손실은 3.4 %에 그친다. 대칭 가드밴드가 필요한 밴드‑센터 배치와 비교해 손실이 절반 수준이다. 또한, 전송 방향에 따라 차이가 나타나는데, 반대 방향(카운터‑프로파게이션)에서는 위상 매칭이 자연스럽게 억제돼 SKR 향상이 미미하지만, 용량 손실은 동일하게 발생한다. 거리‑전력 트레이드오프 분석에서는 고전 전력 0.5 dBm/ch에서 가드밴드 없이는 전송 거리가 3 km로 급감하지만, 3채널 가드밴드 적용 시 10 km까지 안정적인 양자 통신이 가능함을 보여준다. 이러한 결과는 복잡한 분할‑스텝 푸리에 시뮬레이션 없이도 파라미터 스윕을 통해 빠르게 최적 설계를 도출할 수 있음을 의미한다. 논문은 최종적으로 “전력 레짐에 따른 가드밴드 할당”이라는 실용적인 설계 규칙을 제시하며, 네트워크 운영자가 기존 메트로 광망에 양자 보안을 손쉽게 도입할 수 있는 길을 열었다.