集成光电子技术实验课程科教融合教学模式的应用探索

项炳锡 刘凯歌 仇明侠

摘  要：集成光电子技术在信息处理和传输方面起重要作用，是现代光通信及大规模光电芯片技术发展的重中之重。本论文针对集成光电子技术课程中出现的概念抽象，对学生的创新与实践能力培养不够等问题，提出了在实验课程中引入集成光子器件设计与优化的科教融合教学模式的改革方法。该教学模式通过光波导结构以及微环谐振器、马赫增德尔干涉仪等集成光子器件的设计，使学生能够更加深刻地理解课程内容，初步了解学科的前沿动态，激发学生的学习热情和求知愿望，为其进一步深造或走向社会打下一个良好的技术基础。

关键词：科教融合;集成光电子技术;教学改革;高等教育;光波导

中图分类号：TN256    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2021）39-0077-03

目前我国高等教育正在逐步由精英教育向大众化教育过渡，高等教育的课程质量成为人们广泛讨论和关注的一个热门话题。如何在大学中培养具有创新与实践能力的高水平人才成为一个具有很强紧迫性的课题。尽管包括知名研究型大学在内的全国各高校都在提倡学生创新与实践能力的培养，可近年的高校本科毕业生社会及企业认可度等指标却显示，我国高校毕业生的创新与实践能力的提升状况不容乐观[1]。

根据当前國际高等教育发展趋势及我国高等院校发展的现状，科教融合的教学方法是提高大学生创新实践能力，培养优秀人才的必然途径[2-3]。目前，科教结合的教学模式和本科专业教育的相容性较差，在推广及执行中存在一定困难。高校对于大学本科课程的教学往往只停留在掌握书本知识的基础层次上，忽略了高校在教育中必须具备的研究性和创新意识。想要有效地解决这些问题，就需要对目前专业课程的教学方法做出一定的改革。

本论文针对教学过程中存在的问题，提出了在集成光电子技术实验课程中引入集成光子器件设计与优化的科教融合教学模式的改革方法。在集成光电子技术的实验课程中融入集成光子器件设计的课程，不仅有利于充分激发学生的学习热情和求知愿望，有利于促进学生对相关专业知识的系统性消化和吸收，还能让大学生初步熟悉集成光学器件设计方法，培养企业所亟须的集成光子器件设计方面的人才。

一、光波导及典型集成光子器件介绍

（一）光波导

光波导是集成光子系统中最基本的组成单元，它的特点是可以有效地将光束引导到特定方向上进行传播。根据光波导在几何结构上的不同，可以划分为两类：一维光波导和二维光波导[4]。一维光波导也称为平面光波导，如图1（a）所示，能够在一个维度上限制光的传播。二维光波导大致可以再细分为条形光波导和脊型光波导，如图1（b）和（c）所示，可在两个维度上限制光的传输。与一维光波导相比，二维光波导模式横截面积更小，可以得到更高的光能量密度和更小的器件尺寸。

一般的光波导结构由芯层（n0）、包层（n1）和衬底（n2）三层介质构成。芯层一般是中间的一个介质波导层，是导光部分。包层和衬底分别是波导层的上、下介质层。各层的折射率必须满足n0>n1≥n2，以形成有效的波导结构。当入射光满足一定的角度入射时，光将在上下两个界面上发生全反射，从而被“封闭”在波导芯层中，沿“z”字形的路线向前传播。对于芯层厚度为d的波导，光线从下界面到达上界面的相移是kxd，其中kx是波矢k在垂直于光传播方向上的分量，即

式中k0是自由空间的波矢，n为折射率，θ为光线方向与界面法线方向的夹角。假设在波导上下界面上的全反射相移分别是-2Φa和-2Φs。则光波能在薄膜中传播必须满足的条件，即波导的模式本征方程为：

式中，m为波导的模序数，它取从0开始的正整数。由此可以看出，只有满足模式本征方程的某些特定角度θ的光线才能在波导中传播。

（二）两种典型的集成光子器件：微环谐振器和马赫增德尔干涉仪

1. 微环谐振器

微环谐振器利用薄膜波导对光进行一维约束，在薄膜波导的基础上形成回音壁模式谐振腔[5]。图2为微环谐振器的基本结构，由单个微环和直波导组成，由通道波导输入的光信号和微环谐振腔共振时，光信号将从通道波导耦合进微环谐振腔。微环谐振器具有结构紧凑、集成度高等优点，且易于与其他光电器件实现单片集成，在光电集成波分复用、光信号处理、化学生物探测、单光子发射等领域具有重要的应用价值。

微环中光信号的传播常数β可表示为：

式中，λ为波长，neff为波导的有效折射率。设微环的半径为r，则光在微环内传播一次所产生的相位差Δθ如下式所示：

当满足微环的谐振条件时，相位差Δθ=2πq（q=1，2， 3，….），即：

此时，大部分光将从直波导耦合进入微环。

2. 马赫增德尔干涉仪

马赫增德尔干涉仪因结构简单、全光型的结构优点成为应用最广泛的一种光调制器结构[6]。马赫增德尔干涉仪结构示意图如图3所示，由两个直波导连接的对称Y分支组成。从输入波导注入的光被50：50的比例分到Y分支两个臂，并在两个臂的波导中传输。微波电场在两个臂的波导上具有相反的电压符号。通过线性电光效应在一个臂上引入光学相位延迟而在另一个臂上引入光学相位超前。从而实现对输出光信号的幅度调制。

马赫增德尔干涉仪两干涉臂之间的相位改变量可由下式表示：

式中，Δneff为波导有效折射率改变量，L是光调制波导中的相互作用长度，ΔV是施加的电压，Vπ是半波电压。当施加电压等于0时，两干涉臂之间的相位改变量Δφ为0，此时两个臂输出的光干涉加强，输出相对光强为1。当施加电压等于半波电压Vπ时，两干涉臂之间的相位改变量Δφ为π，此时两个臂的光干涉相消，输出光强为0，从而实现光信号的调制。

二、科教融合实验教学内容

实验教学采用商业软件Lumerical MODE Solutions，该软件是一款集成光子器件设计软件，能够准确模拟各种波导结构，包含本征模式求解和传播计算两个模块。具体的课程设计内容如下：

（一）设计一款有明确功能的集成光子器件

比如微环谐振器或者马赫增德尔电光调制器，便于学生直观地体会集成光子器件的作用。该器件会尽可能多地将集成光子学中的基础理论包含进来，比如波导单模特性、電光效应、相位调制、强度调制等。

（二）波导单模条件模型构建和模拟计算

为了防止传输过程的失真，信号在波导中需要满足单模运行。在Lumerical MODE Solutions软件中采用时域有限差分法（FDTD）模拟计算不同宽度和厚度波导的有效折射率和模场分布，根据模拟计算结果筛选出单模条件。

（三）传输损耗是集成光子器件的关键参数

在Lumerical MODE Solutions软件中采用FDTD模拟计算不同包层厚度和弯曲半径波导的传输损耗。根据模拟计算结果筛选出合适的包层厚度和弯曲半径。

（四）环形谐振器模型构建和模拟计算

模拟得出微环半径和耦合间距这两个参数的最优值。边界条件的设定采用完美匹配层边界条件（PML），波导模拟的算法是全矢量有限差分法，微环谐振腔模拟的算法是变分时域有限差分法（varFDTD）。

（五）马赫增德尔干涉仪模型构建和模拟计算

理论模拟得出Y分支结构曲率半径、电极波导之间的距离和调制区长度这三个参数的最优值。边界条件的设定采用PML条件。根据加上调制电压前后波导有效折射率的变化计算半波电压。

三、教学效果的初步评价

科教融合实验课程教学引导本科生课程学习，能让学生带着具体的科研实践问题去学习理论和实验课程。通过精心选择集成光子器件结构，研究如何使当前实验教学内容既能与课程的基础理论有机地结合，又能与当前科研前沿相结合，对于实现课堂教学与科研实践融合有促进作用。

光波导概念比较抽象，学生在理解上比较困难，通过模拟计算教学可以使学生掌握光波导单模条件、直波导传输损耗和弯曲波导的弯曲损耗等相关计算方法，加深学生对光波导和集成光子器件概念的理解，增加学习兴趣，取得了较好的教学效果。教学过程中需要注意如下两个方面：

一是在计算不同器件参数的时候将采用不同的计算方法，比如波导模拟的算法是全矢量有限差分法，微环谐振腔模拟的算法是变分时域有限差分法。需要让学生了解不同算法的区别以及不同功能对应的计算方法。

二是通过精心选择设计的器件和参数，让学生理解各个参数的物理意义以及对集成光子器件具体性能的影响。实验课程与课堂教学内容有机地结合，紧跟科技前沿，将成为理论课程的有益补充。

四、结语

科教融合实验课程教学可以引导本科生带着具体的科研实践问题去学习理论和实验课程。光波导和集成光电子技术的概念比较抽象，学生在理解上比较困难，通过在集成光电子技术实验教学中引入集成光电子器件设计的课程，可以加深学生对光波导和集成光子器件概念的理解，激发学生的学习热情和求知愿望;能够使学生掌握集成光电子器件设计中的一些基本的计算方法，初步了解该学科的前沿动态，为培养企业所急需的集成光子器件设计方面的人才打下良好的技术基础。

参考文献：

[1] 仇明侠，张旺，陈业旺，等. 应用型高校专业实践课程教学改革探索——以深圳技术大学光源与照明专业为例[J]. 广东化工，2020，47（01）：147-148.

[2] 耿秀丽，叶春明. 面向科教融合的工业工程专业教学改革探索[J]. 教育教学论坛，2014（46）：159-161.

[3] 夏丽莎，刘勤明. 应用型工业工程专业的《工业安全》课程教学改革探讨[J]. 教育教学论坛，2019（32）：131-132.

[4] 项炳锡. 离子注入光学晶体材料的Blistering现象和波导制备研究[D]. 济南：山东大学，2015.

[5] 余金中.硅光子学[M]. 北京：科学出版社，2011.

[6] 陈方，刘瑞鹏，祁志美. 铌酸锂基集成光波导马赫-曾德尔干涉仪的设计、制备及其特性的初步测试[J]. 光学学报，2011，31（05）：135-139.

（责任编辑：淳洁）