集成光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程科教融合教學(xué)模式的應(yīng)用探索

項(xiàng)炳錫 劉凱歌 仇明俠

摘? 要：集成光電子技術(shù)在信息處理和傳輸方面起重要作用，是現(xiàn)代光通信及大規(guī)模光電芯片技術(shù)發(fā)展的重中之重。本論文針對(duì)集成光電子技術(shù)課程中出現(xiàn)的概念抽象，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)不夠等問題，提出了在實(shí)驗(yàn)課程中引入集成光子器件設(shè)計(jì)與優(yōu)化的科教融合教學(xué)模式的改革方法。該教學(xué)模式通過光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及微環(huán)諧振器、馬赫增德爾干涉儀等集成光子器件的設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠更加深刻地理解課程內(nèi)容，初步了解學(xué)科的前沿動(dòng)態(tài)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知愿望，為其進(jìn)一步深造或走向社會(huì)打下一個(gè)良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：科教融合;集成光電子技術(shù);教學(xué)改革;高等教育;光波導(dǎo)

中圖分類號(hào)：TN256? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2021）39-0077-03

目前我國(guó)高等教育正在逐步由精英教育向大眾化教育過渡，高等教育的課程質(zhì)量成為人們廣泛討論和關(guān)注的一個(gè)熱門話題。如何在大學(xué)中培養(yǎng)具有創(chuàng)新與實(shí)踐能力的高水平人才成為一個(gè)具有很強(qiáng)緊迫性的課題。盡管包括知名研究型大學(xué)在內(nèi)的全國(guó)各高校都在提倡學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力的培養(yǎng)，可近年的高校本科畢業(yè)生社會(huì)及企業(yè)認(rèn)可度等指標(biāo)卻顯示，我國(guó)高校畢業(yè)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力的提升狀況不容樂觀[1]。

根據(jù)當(dāng)前國(guó)際高等教育發(fā)展趨勢(shì)及我國(guó)高等院校發(fā)展的現(xiàn)狀，科教融合的教學(xué)方法是提高大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，培養(yǎng)優(yōu)秀人才的必然途徑[2-3]。目前，科教結(jié)合的教學(xué)模式和本科專業(yè)教育的相容性較差，在推廣及執(zhí)行中存在一定困難。高校對(duì)于大學(xué)本科課程的教學(xué)往往只停留在掌握書本知識(shí)的基礎(chǔ)層次上，忽略了高校在教育中必須具備的研究性和創(chuàng)新意識(shí)。想要有效地解決這些問題，就需要對(duì)目前專業(yè)課程的教學(xué)方法做出一定的改革。

本論文針對(duì)教學(xué)過程中存在的問題，提出了在集成光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中引入集成光子器件設(shè)計(jì)與優(yōu)化的科教融合教學(xué)模式的改革方法。在集成光電子技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課程中融入集成光子器件設(shè)計(jì)的課程，不僅有利于充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知愿望，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)性消化和吸收，還能讓大學(xué)生初步熟悉集成光學(xué)器件設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)企業(yè)所亟須的集成光子器件設(shè)計(jì)方面的人才。

一、光波導(dǎo)及典型集成光子器件介紹

（一）光波導(dǎo)

光波導(dǎo)是集成光子系統(tǒng)中最基本的組成單元，它的特點(diǎn)是可以有效地將光束引導(dǎo)到特定方向上進(jìn)行傳播。根據(jù)光波導(dǎo)在幾何結(jié)構(gòu)上的不同，可以劃分為兩類：一維光波導(dǎo)和二維光波導(dǎo)[4]。一維光波導(dǎo)也稱為平面光波導(dǎo)，如圖1（a）所示，能夠在一個(gè)維度上限制光的傳播。二維光波導(dǎo)大致可以再細(xì)分為條形光波導(dǎo)和脊型光波導(dǎo)，如圖1（b）和（c）所示，可在兩個(gè)維度上限制光的傳輸。與一維光波導(dǎo)相比，二維光波導(dǎo)模式橫截面積更小，可以得到更高的光能量密度和更小的器件尺寸。

一般的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由芯層（n0）、包層（n1）和襯底（n2）三層介質(zhì)構(gòu)成。芯層一般是中間的一個(gè)介質(zhì)波導(dǎo)層，是導(dǎo)光部分。包層和襯底分別是波導(dǎo)層的上、下介質(zhì)層。各層的折射率必須滿足n0>n1≥n2，以形成有效的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)入射光滿足一定的角度入射時(shí)，光將在上下兩個(gè)界面上發(fā)生全反射，從而被“封閉”在波導(dǎo)芯層中，沿“z”字形的路線向前傳播。對(duì)于芯層厚度為d的波導(dǎo)，光線從下界面到達(dá)上界面的相移是kxd，其中kx是波矢k在垂直于光傳播方向上的分量，即

式中k0是自由空間的波矢，n為折射率，θ為光線方向與界面法線方向的夾角。假設(shè)在波導(dǎo)上下界面上的全反射相移分別是-2Φa和-2Φs。則光波能在薄膜中傳播必須滿足的條件，即波導(dǎo)的模式本征方程為：

式中，m為波導(dǎo)的模序數(shù)，它取從0開始的正整數(shù)。由此可以看出，只有滿足模式本征方程的某些特定角度θ的光線才能在波導(dǎo)中傳播。

（二）兩種典型的集成光子器件：微環(huán)諧振器和馬赫增德爾干涉儀

1. 微環(huán)諧振器

微環(huán)諧振器利用薄膜波導(dǎo)對(duì)光進(jìn)行一維約束，在薄膜波導(dǎo)的基礎(chǔ)上形成回音壁模式諧振腔[5]。圖2為微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)，由單個(gè)微環(huán)和直波導(dǎo)組成，由通道波導(dǎo)輸入的光信號(hào)和微環(huán)諧振腔共振時(shí)，光信號(hào)將從通道波導(dǎo)耦合進(jìn)微環(huán)諧振腔。微環(huán)諧振器具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，且易于與其他光電器件實(shí)現(xiàn)單片集成，在光電集成波分復(fù)用、光信號(hào)處理、化學(xué)生物探測(cè)、單光子發(fā)射等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

微環(huán)中光信號(hào)的傳播常數(shù)β可表示為：

式中，λ為波長(zhǎng)，neff為波導(dǎo)的有效折射率。設(shè)微環(huán)的半徑為r，則光在微環(huán)內(nèi)傳播一次所產(chǎn)生的相位差Δθ如下式所示：

當(dāng)滿足微環(huán)的諧振條件時(shí)，相位差Δθ=2πq（q=1，2， 3，….），即：

此時(shí)，大部分光將從直波導(dǎo)耦合進(jìn)入微環(huán)。

2. 馬赫增德爾干涉儀

馬赫增德爾干涉儀因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、全光型的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用最廣泛的一種光調(diào)制器結(jié)構(gòu)[6]。馬赫增德爾干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，由兩個(gè)直波導(dǎo)連接的對(duì)稱Y分支組成。從輸入波導(dǎo)注入的光被50：50的比例分到Y(jié)分支兩個(gè)臂，并在兩個(gè)臂的波導(dǎo)中傳輸。微波電場(chǎng)在兩個(gè)臂的波導(dǎo)上具有相反的電壓符號(hào)。通過線性電光效應(yīng)在一個(gè)臂上引入光學(xué)相位延遲而在另一個(gè)臂上引入光學(xué)相位超前。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光信號(hào)的幅度調(diào)制。

馬赫增德爾干涉儀兩干涉臂之間的相位改變量可由下式表示：

式中，Δneff為波導(dǎo)有效折射率改變量，L是光調(diào)制波導(dǎo)中的相互作用長(zhǎng)度，ΔV是施加的電壓，Vπ是半波電壓。當(dāng)施加電壓等于0時(shí)，兩干涉臂之間的相位改變量Δφ為0，此時(shí)兩個(gè)臂輸出的光干涉加強(qiáng)，輸出相對(duì)光強(qiáng)為1。當(dāng)施加電壓等于半波電壓Vπ時(shí)，兩干涉臂之間的相位改變量Δφ為π，此時(shí)兩個(gè)臂的光干涉相消，輸出光強(qiáng)為0，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的調(diào)制。

二、科教融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用商業(yè)軟件Lumerical MODE Solutions，該軟件是一款集成光子器件設(shè)計(jì)軟件，能夠準(zhǔn)確模擬各種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包含本征模式求解和傳播計(jì)算兩個(gè)模塊。具體的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

（一）設(shè)計(jì)一款有明確功能的集成光子器件

比如微環(huán)諧振器或者馬赫增德爾電光調(diào)制器，便于學(xué)生直觀地體會(huì)集成光子器件的作用。該器件會(huì)盡可能多地將集成光子學(xué)中的基礎(chǔ)理論包含進(jìn)來，比如波導(dǎo)單模特性、電光效應(yīng)、相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制等。

（二）波導(dǎo)單模條件模型構(gòu)建和模擬計(jì)算

為了防止傳輸過程的失真，信號(hào)在波導(dǎo)中需要滿足單模運(yùn)行。在Lumerical MODE Solutions軟件中采用時(shí)域有限差分法（FDTD）模擬計(jì)算不同寬度和厚度波導(dǎo)的有效折射率和模場(chǎng)分布，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果篩選出單模條件。

（三）傳輸損耗是集成光子器件的關(guān)鍵參數(shù)

在Lumerical MODE Solutions軟件中采用FDTD模擬計(jì)算不同包層厚度和彎曲半徑波導(dǎo)的傳輸損耗。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果篩選出合適的包層厚度和彎曲半徑。

（四）環(huán)形諧振器模型構(gòu)建和模擬計(jì)算

模擬得出微環(huán)半徑和耦合間距這兩個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值。邊界條件的設(shè)定采用完美匹配層邊界條件（PML），波導(dǎo)模擬的算法是全矢量有限差分法，微環(huán)諧振腔模擬的算法是變分時(shí)域有限差分法（varFDTD）。

（五）馬赫增德爾干涉儀模型構(gòu)建和模擬計(jì)算

理論模擬得出Y分支結(jié)構(gòu)曲率半徑、電極波導(dǎo)之間的距離和調(diào)制區(qū)長(zhǎng)度這三個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值。邊界條件的設(shè)定采用PML條件。根據(jù)加上調(diào)制電壓前后波導(dǎo)有效折射率的變化計(jì)算半波電壓。

三、教學(xué)效果的初步評(píng)價(jià)

科教融合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)引導(dǎo)本科生課程學(xué)習(xí)，能讓學(xué)生帶著具體的科研實(shí)踐問題去學(xué)習(xí)理論和實(shí)驗(yàn)課程。通過精心選擇集成光子器件結(jié)構(gòu)，研究如何使當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容既能與課程的基礎(chǔ)理論有機(jī)地結(jié)合，又能與當(dāng)前科研前沿相結(jié)合，對(duì)于實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與科研實(shí)踐融合有促進(jìn)作用。

光波導(dǎo)概念比較抽象，學(xué)生在理解上比較困難，通過模擬計(jì)算教學(xué)可以使學(xué)生掌握光波導(dǎo)單模條件、直波導(dǎo)傳輸損耗和彎曲波導(dǎo)的彎曲損耗等相關(guān)計(jì)算方法，加深學(xué)生對(duì)光波導(dǎo)和集成光子器件概念的理解，增加學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果。教學(xué)過程中需要注意如下兩個(gè)方面：

一是在計(jì)算不同器件參數(shù)的時(shí)候?qū)⒉捎貌煌挠?jì)算方法，比如波導(dǎo)模擬的算法是全矢量有限差分法，微環(huán)諧振腔模擬的算法是變分時(shí)域有限差分法。需要讓學(xué)生了解不同算法的區(qū)別以及不同功能對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法。

二是通過精心選擇設(shè)計(jì)的器件和參數(shù)，讓學(xué)生理解各個(gè)參數(shù)的物理意義以及對(duì)集成光子器件具體性能的影響。實(shí)驗(yàn)課程與課堂教學(xué)內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合，緊跟科技前沿，將成為理論課程的有益補(bǔ)充。

四、結(jié)語

科教融合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)可以引導(dǎo)本科生帶著具體的科研實(shí)踐問題去學(xué)習(xí)理論和實(shí)驗(yàn)課程。光波導(dǎo)和集成光電子技術(shù)的概念比較抽象，學(xué)生在理解上比較困難，通過在集成光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入集成光電子器件設(shè)計(jì)的課程，可以加深學(xué)生對(duì)光波導(dǎo)和集成光子器件概念的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知愿望;能夠使學(xué)生掌握集成光電子器件設(shè)計(jì)中的一些基本的計(jì)算方法，初步了解該學(xué)科的前沿動(dòng)態(tài)，為培養(yǎng)企業(yè)所急需的集成光子器件設(shè)計(jì)方面的人才打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：淳潔）