仿真技術在光電子技術課程教學中的應用

田 曉，胡子豪，李 凡，康宇棟，樊招敏

(西安航空學院 理學院，西安 710077)

0 引言

《光電子技術基礎》課程涉及光學、光電子、微電子、通信等重要的高新技術?，F代光電信息學科及其產業(yè)的快速發(fā)展使得光電信息科學與工程專業(yè)的高等教育面臨前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。目前傳統(tǒng)的課堂教學著重理論講授并輔以課后習題，雖有助于學生掌握基本概念，但是教學內容比較死板、單一，枯燥乏味，遠不能滿足現代教學的需求。教育心理學認為，學生掌握知識是理性認識和感性認識有機結合的過程。傳統(tǒng)教學重理性認識，而忽視學生自身的感性認識，這種缺乏主動意識的知識學習方式導致學生對難度較大的專業(yè)課程知識的掌握程度不夠。針對這一問題，借助計算機仿真技術來輔助傳統(tǒng)課堂的教學模式已成為當下流行。此外，在實際的實驗教學中，光學類的儀器設備比較昂貴且易損壞，要完成諸多的實驗項目所需的資金成本太高，因此需要對相關的實驗內容進行取舍，不利于教學工作的開展和教學效果的提升，采用計算機仿真技術顯得十分必要。

光波導是光電專業(yè)學生需要掌握的一個非常重要的知識點，也是現代光電信息研究的重要方向，以《光電子技術基礎》中光在波導中的傳輸為例，目前教材只是簡單給出傳播示意圖，不利于學生充分地理解光波導中的光傳輸。而在實踐工程應用中，需要深入分析波導折射率分布的變化對光傳輸的影響，COMSOL MULTIPHYSICS作為目前發(fā)展較為成熟的有限元分析軟件，具有強大的多物理場分析功能，能夠實現多種物理問題的仿真計算?；谟邢拊抡婕夹g，將抽象理論轉化為具體模型，讓學生形象理解光波導中的光波傳輸模式，幫助學生深入地、全方位地掌握光的傳輸特性，提升學生的學習興趣，達到理想的學習效果。

1 數值仿真技術與專業(yè)課程的結合

計算機仿真基礎的引入，極大地促進了教學形式的改善，可以為學生提供一種形象的、實踐性較強的結構化認知形式，將信息的組織方式與內容成的多樣性與復雜性靈活地結合起來。光電子技術課程中有關光波導傳輸模式的教學內容，在理論教學中演示存在一定困難，需要高質量的激光光源、波導元件和較高分辨率的觀測設備。如何讓學生能形象理解光波在平板波導中的傳輸，這是任課教師亟需解決的問題。借助強大的數值仿真軟件COMSOL Multiphysics和圖形顯示功能，可實現上述問題的解決。針對仿真軟件和課程教學的結合，具體包括：

(1)從麥克斯韋方程組出發(fā)，根據麥克斯韋電磁理論，以COMSOL MULTIPHYSICS有限元軟件為開發(fā)平臺，建立以求解波動方程為目標的物理模型，并根據實際情況引入邊界條件，進行模型求解，從而得到實現光波導中光傳輸模式的計算，并顯示圖形化結果。

(2)在此基礎上，鼓勵學生積極探索，在掌握相關波導理論知識的前提下，對平板介質波導的光傳輸模型進行優(yōu)化，改變模型中薄膜(波導)層、襯底層、覆蓋層的折射率值，以此幫助學生掌握光傳輸特性和傳輸規(guī)律。

2 數值仿真平板波導中的光傳輸

光波導可以用來引導光按需要的路徑傳播，并且損耗可以做到很小，其中平面介質波導是最重要的一類光波導。最簡單的平面波導由薄膜(波導)、襯底和覆蓋三層平板形介質構成，其中均勻型波導的各層介質折射率均為常數=，而非均勻型波導各層的折射率隨空間坐標變化=()。

以均勻型平面介質波導為例，分析光波在波導中的傳輸特性。采用本征模方法，利用有限空間的波動光學理論，研究光在平面介質波導中的傳輸特性。由于受到介質邊界條件的限制，根據不同的邊界條件，對麥克斯韋方程或相應的波動方程求解后，得到相應的TE模傳輸特性。圖1為波導的基本結構，其中薄膜(波導)層、襯底層、覆蓋層的折射率分別為，，，并且>≥。光在薄膜的上下兩個界面上均發(fā)生全反射，光進入薄膜內邊被限制其中，以導波模形式傳輸。如果不滿足上述折射率之間的關系，則光波便以包層輻射模或襯底輻射模形式在波導中傳輸，從而使光信息傳輸能量大幅損耗。

圖1 簡單的三層平面介質光波導結構示意圖

為了簡化數值仿真計算，假設無空間電荷、波導中充滿的是線性、均勻的各項同性電介質。根據麥克斯韋方程得到光波傳輸滿足的波動方程：

(1)

圖2 平面光波導的幾何模型

當輸入光波長為1 310 nm，輸入光功率為500 mW，對稱平面光波導的折射率=1.5，==1.0時，分析光波導中沿向的電場矢量的模。由圖3(a)可知光以導模形式傳輸，在襯底層和覆蓋層幾乎無泄露。當改變折射率==1.4，如圖3(b)所示，由于光在波導中不滿足全反射條件，因此呈輻射模形式傳輸。

圖3 對稱平面波導的光傳輸模式

對于非對稱平面光波導，若其折射率=15，=14，=10，分析光波導沿向的電場矢量的模。如圖4(a)所示，光波傳輸在襯底區(qū)不滿足全反射條件，因此以襯底輻射模形式傳輸，因此造成能量傳輸損耗。通過改變襯底層折射率的數值，傳輸模的強度出現變化，由圖4(b)可看出，當襯底層與波導層的折射率越接近時，能量損耗越大，反之，兩者差值越大，損耗越小，說明光波在波導中以導波模形式傳輸，是較理想的傳輸狀態(tài)。

圖4 非對稱平面波導的光傳輸

3 結語

本文針對光電子技術基礎課程中光波導中光傳輸特性內容，借助仿真分析軟件，使學生直觀地看到了光波的傳輸模式，并通過仿真計算和“可視化”結果進一步加深學生對光波導的理解，很好地解決了因條件限制而不能進行直觀實驗的難題，能夠讓學生建立相應的物理模型實現光在波導中的傳輸仿真。在日常的光電類課程教學中，也非常適合引入這種方式，激發(fā)學生的求知欲和學習主動性并提升學習效果。