工程驅(qū)動的光電子技術教學研究

潘 盼，查申龍，聞 軍，占生寶

（安慶師范大學 電子工程與智能制造學院，安徽 安慶 246133）1

“光電子技術”是光電信息科學與工程專業(yè)本科生的專業(yè)必修課，主要包括光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量轉(zhuǎn)換的相關技術，是光電信息技術中最為活躍的高新技術之一，工程應用性強。在當前高校課程教學中，主要以教材為主進行課堂講授，使學生對光電子技術的基本概念、技術和器件有比較全面和系統(tǒng)的認識。但是，仍普遍存在一些問題：（1）重理論，輕實踐。在工程教育專業(yè)認證大背景下，傳統(tǒng)教學偏重理論知識傳授，缺乏相應的實踐訓練，已不能滿足要求；（2）灌輸式教學，教學效果差。課堂教學以知識灌輸為主，學生學習的自主性較差，缺少動手動腦的機會。工程驅(qū)動教學法近年來常被應用到工科專業(yè)課程上[1]。所謂“工程”，是運用科學知識和技術原理對具體產(chǎn)品、工藝、設施和目標進行研究、設計、評價、施工，直到完成驗收為止的一個周期性過程。工程驅(qū)動教學法的核心是工程實踐，目標是培養(yǎng)能解決復雜工程問題的人才。我們在光電子技術課程中引入工程驅(qū)動教學法，具體做法是將光電子器件的仿真設計以工程任務的形式融入課堂教學中[2]。通過理論學習與工程實踐相結(jié)合，激發(fā)學生的學習興趣，鍛煉學生的工程實踐能力，為光電專業(yè)完成工程認證奠定基礎。

1 基于Rsoft軟件的光電器件設計

Rsoft是一款功能強大的光電子器件仿真軟件，包括beamprop、fullwave、bandsolve、grating mode和diffractmode等模塊。該軟件是一個高度集成了計算機輔助設計和仿真模擬的商用軟件，幾乎可以滿足所有種類集成光電子器件的仿真設計，包括光耦合器、波分復用/解復用器、光開關、調(diào)制器、光柵等。有限差分光束傳播法[3]和有限時域差分法是Rsoft常用的兩種仿真方法，其中光束傳播法的計算過程高效、快速，更適合在教學應用中推廣。光束傳播法是在光束的傳播方向上將傳輸距離分成若干個步長，每一個步長內(nèi)都假設是均勻介質(zhì)，通過第m個步長的場分布φm來得到第m+1個步長的場分布φm+1。場分布函數(shù)滿足標量亥姆霍茲方程：

其中，φ是波函數(shù)，k是波數(shù)，可以寫成k(x,y,z)=k0n(x,y,z)，k0是真空波數(shù)，n(x,y,z)是折射率分布函數(shù)。通過設置邊界條件，可以采用傍軸近似對亥姆霍茲方程進行求解，從而計算光束傳播過程。

光電子技術課程包括激光光源、光纖、光調(diào)制器、光探測器等內(nèi)容。針對其中關鍵的光纖和光波導器件，我們發(fā)布相應工程任務，讓學生獨立完成相關器件的仿真設計，提交作品，并計入最終成績考核。具體任務內(nèi)容包括材料特性分析、波導設計、器件結(jié)構(gòu)設計和任務評價。

（1）材料特性分析。讓學生調(diào)研文獻資料，了解相關光電材料的特性，包括折射率、色散特性、電光系數(shù)、熱光系數(shù)等，掌握必要的參數(shù)，為后續(xù)設計做好準備。

（2）波導設計。光波導限制光傳輸?shù)脑硎枪獾娜瓷?，按照材料特性設計相應的導光結(jié)構(gòu)。根據(jù)波動光學及射線理論相關知識，對波導尺寸進行初步設計，包括芯層和包層厚度、波導形狀（脊形、矩形等）?；赗soft軟件對光波導結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，計算不同階模式的有效折射率并分析獲得單模條件。

（3）器件結(jié)構(gòu)設計。在對器件原理充分理解的基礎上，使用Rsoft軟件自帶的CAD模塊繪制器件結(jié)構(gòu)，再基于有限差分光束傳播法對器件各部分參數(shù)進行仿真優(yōu)化，實現(xiàn)各種光控制功能。同時，可以對器件的熱光、電光和光譜等特性進行詳細分析。

（4）任務評價。設置相同的任務目標，但各小組用不同材料、不同方法、不同結(jié)構(gòu)來獨立完成。比如光開光，可以用硅基二氧化硅材料、SOI材料或InP材料，可以選擇深脊形波導、淺脊形波導和矩形波導等，還可以基于Y分支結(jié)構(gòu)、多模干涉儀（MMI）結(jié)構(gòu)和定向耦合器結(jié)構(gòu)。確保每一組的工程任務有相同目標又有不同之處，最終通過集體匯報任務結(jié)果來進行效果比較，有助于學生更全面掌握相關知識。

2 設計實例

選取基于馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的硅基二氧化硅光開關設計實例來展示Rsoft軟件（基于有限差分光束傳播法）設計光波導器件的工程訓練過程。

2.1 材料分析及波導結(jié)構(gòu)設計

硅基二氧化硅是成熟的芯片材料，具有集成度高、工藝要求低、片上損耗低等特點[4]。如圖1（a）所示，選用1.5%折射率差的硅基二氧化硅材料，波導采用矩形結(jié)構(gòu)。在硅襯底片上沉積生長不同摻雜濃度的二氧化硅材料，包層二氧化硅折射率為1.445，芯層二氧化硅折射率為1.467，單模波導尺寸為4×4μm2，可以很好地將光場限制在芯層，如圖1（b）所示。

圖1 1.5%折射率差的硅基二氧化硅（a）矩形波導結(jié)構(gòu)和（b）模場分布

2.2 器件結(jié)構(gòu)的設計

光開關采用基于1×2 MMI的馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)[5]，包括兩個對稱的MMI和兩個調(diào)制臂。如圖2所示，一束光耦合輸入到第一個MMI，等分的兩束光分別進入上、下調(diào)制臂，通過調(diào)制兩臂的折射率差來使兩束光積累不同的相位，到達第二個MMI后干涉輸出，實現(xiàn)干涉相長或相消，即光開關功能。在課程教學中，學生采用Rsoft軟件對器件結(jié)構(gòu)進行仿真，確定光開關各部分參數(shù)。

為了減小光開關的損耗和增大消光比，最關鍵的是MMI設計。根據(jù)波導參數(shù)選擇合適的MMI寬度，確保在盡量短的MMI中出現(xiàn)二重像，減小器件尺寸。最終確定MMI寬度為25.0μm，在此寬度下最高只出現(xiàn)二重像。通過Rsoft軟件掃描MMI長度并獲得最佳分束效果。如圖3所示，在TE模式下，當MMI長度為338.8μm時，兩臂輸出的光功率最大。在TM模式下，當MMI長度為338.0μm時，兩臂輸出的光功率最大。在實際應用中，根據(jù)對偏振的需求確定最終結(jié)構(gòu)，并通過熱光調(diào)制[6]或電光調(diào)制[7]的方法來改變兩臂折射率差，從而實現(xiàn)光路開或關的功能。

圖2 馬赫-曾德干涉儀型光開關結(jié)構(gòu)

圖3 TE模式（a）和TM模式（b）的最佳MMI長度（LMMI）掃描

2.3設計結(jié)果

根據(jù)上述設計結(jié)果，用兩個調(diào)制臂（單模直波導）連接兩個對稱的1×2 MMI，形成光開關結(jié)構(gòu)，并進一步對開關性能進行仿真。假設臂長為1 000.0μm，采用有限差分光束傳播法對開關的輸出功率與折射率變化Δn的關系進行分析。如圖4所示，不加調(diào)制時開關處于閉合狀態(tài)，歸一化輸出光功率接近1，當上調(diào)制臂的折射率改變0.000 9時，輸出光功率降為0，即開關處于斷開狀態(tài)。在Rsoft軟件中對光開關的光場傳輸過程進行仿真（圖5），當處于開狀態(tài)時，有較強光輸出，當處于關狀態(tài)時，無光輸出，直觀明了。

圖4 調(diào)制臂折射率改變對開關效果的影響

圖5 光開關（a）開和（b）關狀態(tài)光路傳輸圖

3 結(jié)束語

綜上所述，本文針對工程教育認證背景下的光電子技術課程，引入工程驅(qū)動教學法，將課堂教學與基于Rsoft軟件的光電子器件設計開發(fā)相結(jié)合，提高了學生的工程實踐能力。并以光開關為例，詳細介紹了設計方法和器件開發(fā)流程，幫助學生熟悉特定的工程任務，并結(jié)合光電子器件基本原理的課堂教學，有效提高了光電子技術課程的教學效果。