近日，中國科學院國家授時中心的科研團隊在長距離光纖時間傳遞系統研究方面實現關鍵突破。
在天文地球動力學測量、全球定位導航、長基線干涉測量等眾多前沿領域，精準的時間傳遞至關重要。然而隨著光纖傳輸距離的不斷增加，光信號在長距離傳輸過程中會因光纖鏈路產生的損耗而減弱，雙向摻鉺光纖放大器（Bi-EDFAs）雖能補償光信號損耗，卻也會引入噪聲，從而導致信噪比（SNR）下降，嚴重影響時間傳遞性能。如何優化Bi-EDFAs的光增益以提升信噪比，成為亟待解決的難題。
圖1 基于多個Bi-EDFAs的長距離雙向光纖時間傳遞系統示意圖
本研究團隊提出了一種基于改進遺傳算法（Improved Genetic Algorithm，IGA）的優化方法，能夠在線優化光纖鏈路中雙向摻鉺光纖放大器（Bi-EDFAs）的光增益。該方法依據光纖鏈路噪聲對主光信號的影響構建目標優化函數，再借助IGA算法求解Bi-EDFAs的最優增益系數。具體而言，IGA在初始化種群時會參考光纖鏈路參數，確保初始種群更具針對性。在進化過程中，它采用自適應遺傳算子執行選擇、交叉和變異操作，能根據種群的實時情況靈活調整進化策略。同時，IGA還引入了災變操作，這一操作有效避免了算法陷入局部最優解的問題，使得算法能夠快速找到讓系統信噪比最大化的Bi-EDFAs最優光增益組合。
圖2傳統與改進的遺傳算法求解流程對比圖
科研團隊對該方法進行了系統實驗驗證。結果表明，IGA的收斂效率大幅提升，僅需百次迭代就能達到最優值，且與理想化窮舉法相比僅低0.61dB，收斂時間縮短了三個數量級；相較于傳統固定增益設置（如17.5dB），IGA使信噪比提升了15.94dB。研究人員分別在276 km（含3個Bi-EDFAs）和439 km（含5個Bi-EDFAs）的實驗室光纖鏈路上進行測試，結果顯示，基于IGA優化增益設置的鏈路信噪比，相較于傳統固定增益設置提升了超過15dB，與理想化窮舉法相比僅低2dB左右。不同實驗室光纖鏈路下對信噪比的優化效果如圖3所示，其中，圖（a）、（b）分別對應276km光纖鏈路的3個Bi-EDFAs在不同算法下的最優增益及信噪比結果；圖（c）（d）分別對應439km光纖鏈路的5個Bi-EDFAs在不同算法下的最優增益及信噪比結果。
（a）(b)
(c)(d)
圖3不同實驗室光纖鏈路下的信噪比優化效果圖
此項突破意義重大，為構建全國高精度光纖授時網絡中繼方案提供了關鍵技術支撐，也有效提升了我國在全球高精度時間傳遞領域的核心競爭力。
本研究相關成果以《Online optimization of bidirectional amplifiers in long-haul fiber-optic time transfer systems based on improved genetic algorithm》為題發表于Optical Fiber Technology?(2025年第90卷)。
本文鏈接：長距離光纖時間傳遞系統研究獲關鍵突破http://www.sq15.cn/show-11-24804-0.html
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