近日，中国科学院国家授时中心的科研团队在长距离光纤时间传递系统研究方面实现关键突破。
在天文地球动力学测量、全球定位导航、长基线干涉测量等众多前沿领域，精准的时间传递至关重要。然而随着光纤传输距离的不断增加，光信号在长距离传输过程中会因光纤链路产生的损耗而减弱，双向掺铒光纤放大器（Bi-EDFAs）虽能补偿光信号损耗，却也会引入噪声，从而导致信噪比（SNR）下降，严重影响时间传递性能。如何优化Bi-EDFAs的光增益以提升信噪比，成为亟待解决的难题。
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图1 基于多个Bi-EDFAs的长距离双向光纤时间传递系统示意图
本研究团队提出了一种基于改进遗传算法（Improved Genetic Algorithm，IGA）的优化方法，能够在线优化光纤链路中双向掺铒光纤放大器（Bi-EDFAs）的光增益。该方法依据光纤链路噪声对主光信号的影响构建目标优化函数，再借助IGA算法求解Bi-EDFAs的最优增益系数。具体而言，IGA在初始化种群时会参考光纤链路参数，确保初始种群更具针对性。在进化过程中，它采用自适应遗传算子执行选择、交叉和变异操作，能根据种群的实时情况灵活调整进化策略。同时，IGA还引入了灾变操作，这一操作有效避免了算法陷入局部最优解的问题，使得算法能够快速找到让系统信噪比最大化的Bi-EDFAs最优光增益组合。
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图2传统与改进的遗传算法求解流程对比图
科研团队对该方法进行了系统实验验证。结果表明，IGA的收敛效率大幅提升，仅需百次迭代就能达到最优值，且与理想化穷举法相比仅低0.61dB，收敛时间缩短了三个数量级；相较于传统固定增益设置（如17.5dB），IGA使信噪比提升了15.94dB。研究人员分别在276 km（含3个Bi-EDFAs）和439 km（含5个Bi-EDFAs）的实验室光纤链路上进行测试，结果显示，基于IGA优化增益设置的链路信噪比，相较于传统固定增益设置提升了超过15dB，与理想化穷举法相比仅低2dB左右。不同实验室光纤链路下对信噪比的优化效果如图3所示，其中，图（a）、（b）分别对应276km光纤链路的3个Bi-EDFAs在不同算法下的最优增益及信噪比结果；图（c）（d）分别对应439km光纤链路的5个Bi-EDFAs在不同算法下的最优增益及信噪比结果。
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（a）(b)
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(c)(d)
图3不同实验室光纤链路下的信噪比优化效果图
此项突破意义重大，为构建全国高精度光纤授时网络中继方案提供了关键技术支撑，也有效提升了我国在全球高精度时间传递领域的核心竞争力。
本研究相关成果以《Online optimization of bidirectional amplifiers in long-haul fiber-optic time transfer systems based on improved genetic algorithm》为题发表于Optical Fiber Technology?(2025年第90卷)。
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