工程驱动的光电子技术教学研究

潘 盼，查申龙，闻 军，占生宝

（安庆师范大学 电子工程与智能制造学院，安徽 安庆 246133）1

“光电子技术”是光电信息科学与工程专业本科生的专业必修课，主要包括光与物质中的电子相互作用及其能量转换的相关技术，是光电信息技术中最为活跃的高新技术之一，工程应用性强。在当前高校课程教学中，主要以教材为主进行课堂讲授，使学生对光电子技术的基本概念、技术和器件有比较全面和系统的认识。但是，仍普遍存在一些问题：（1）重理论，轻实践。在工程教育专业认证大背景下，传统教学偏重理论知识传授，缺乏相应的实践训练，已不能满足要求；（2）灌输式教学，教学效果差。课堂教学以知识灌输为主，学生学习的自主性较差，缺少动手动脑的机会。工程驱动教学法近年来常被应用到工科专业课程上[1]。所谓“工程”，是运用科学知识和技术原理对具体产品、工艺、设施和目标进行研究、设计、评价、施工，直到完成验收为止的一个周期性过程。工程驱动教学法的核心是工程实践，目标是培养能解决复杂工程问题的人才。我们在光电子技术课程中引入工程驱动教学法，具体做法是将光电子器件的仿真设计以工程任务的形式融入课堂教学中[2]。通过理论学习与工程实践相结合，激发学生的学习兴趣，锻炼学生的工程实践能力，为光电专业完成工程认证奠定基础。

1 基于Rsoft软件的光电器件设计

Rsoft是一款功能强大的光电子器件仿真软件，包括beamprop、fullwave、bandsolve、grating mode和diffractmode等模块。该软件是一个高度集成了计算机辅助设计和仿真模拟的商用软件，几乎可以满足所有种类集成光电子器件的仿真设计，包括光耦合器、波分复用/解复用器、光开关、调制器、光栅等。有限差分光束传播法[3]和有限时域差分法是Rsoft常用的两种仿真方法，其中光束传播法的计算过程高效、快速，更适合在教学应用中推广。光束传播法是在光束的传播方向上将传输距离分成若干个步长，每一个步长内都假设是均匀介质，通过第m个步长的场分布φm来得到第m+1个步长的场分布φm+1。场分布函数满足标量亥姆霍兹方程：

其中，φ是波函数，k是波数，可以写成k(x,y,z)=k0n(x,y,z)，k0是真空波数，n(x,y,z)是折射率分布函数。通过设置边界条件，可以采用傍轴近似对亥姆霍兹方程进行求解，从而计算光束传播过程。

光电子技术课程包括激光光源、光纤、光调制器、光探测器等内容。针对其中关键的光纤和光波导器件，我们发布相应工程任务，让学生独立完成相关器件的仿真设计，提交作品，并计入最终成绩考核。具体任务内容包括材料特性分析、波导设计、器件结构设计和任务评价。

（1）材料特性分析。让学生调研文献资料，了解相关光电材料的特性，包括折射率、色散特性、电光系数、热光系数等，掌握必要的参数，为后续设计做好准备。

（2）波导设计。光波导限制光传输的原理是光的全反射，按照材料特性设计相应的导光结构。根据波动光学及射线理论相关知识，对波导尺寸进行初步设计，包括芯层和包层厚度、波导形状（脊形、矩形等）。基于Rsoft软件对光波导结构进行优化，计算不同阶模式的有效折射率并分析获得单模条件。

（3）器件结构设计。在对器件原理充分理解的基础上，使用Rsoft软件自带的CAD模块绘制器件结构，再基于有限差分光束传播法对器件各部分参数进行仿真优化，实现各种光控制功能。同时，可以对器件的热光、电光和光谱等特性进行详细分析。

（4）任务评价。设置相同的任务目标，但各小组用不同材料、不同方法、不同结构来独立完成。比如光开光，可以用硅基二氧化硅材料、SOI材料或InP材料，可以选择深脊形波导、浅脊形波导和矩形波导等，还可以基于Y分支结构、多模干涉仪（MMI）结构和定向耦合器结构。确保每一组的工程任务有相同目标又有不同之处，最终通过集体汇报任务结果来进行效果比较，有助于学生更全面掌握相关知识。

2 设计实例

选取基于马赫-曾德干涉仪结构的硅基二氧化硅光开关设计实例来展示Rsoft软件（基于有限差分光束传播法）设计光波导器件的工程训练过程。

2.1 材料分析及波导结构设计

硅基二氧化硅是成熟的芯片材料，具有集成度高、工艺要求低、片上损耗低等特点[4]。如图1（a）所示，选用1.5%折射率差的硅基二氧化硅材料，波导采用矩形结构。在硅衬底片上沉积生长不同掺杂浓度的二氧化硅材料，包层二氧化硅折射率为1.445，芯层二氧化硅折射率为1.467，单模波导尺寸为4×4μm2，可以很好地将光场限制在芯层，如图1（b）所示。

图1 1.5%折射率差的硅基二氧化硅（a）矩形波导结构和（b）模场分布

2.2 器件结构的设计

光开关采用基于1×2 MMI的马赫-曾德干涉仪结构[5]，包括两个对称的MMI和两个调制臂。如图2所示，一束光耦合输入到第一个MMI，等分的两束光分别进入上、下调制臂，通过调制两臂的折射率差来使两束光积累不同的相位，到达第二个MMI后干涉输出，实现干涉相长或相消，即光开关功能。在课程教学中，学生采用Rsoft软件对器件结构进行仿真，确定光开关各部分参数。

为了减小光开关的损耗和增大消光比，最关键的是MMI设计。根据波导参数选择合适的MMI宽度，确保在尽量短的MMI中出现二重像，减小器件尺寸。最终确定MMI宽度为25.0μm，在此宽度下最高只出现二重像。通过Rsoft软件扫描MMI长度并获得最佳分束效果。如图3所示，在TE模式下，当MMI长度为338.8μm时，两臂输出的光功率最大。在TM模式下，当MMI长度为338.0μm时，两臂输出的光功率最大。在实际应用中，根据对偏振的需求确定最终结构，并通过热光调制[6]或电光调制[7]的方法来改变两臂折射率差，从而实现光路开或关的功能。

图2 马赫-曾德干涉仪型光开关结构

图3 TE模式（a）和TM模式（b）的最佳MMI长度（LMMI）扫描

2.3设计结果

根据上述设计结果，用两个调制臂（单模直波导）连接两个对称的1×2 MMI，形成光开关结构，并进一步对开关性能进行仿真。假设臂长为1 000.0μm，采用有限差分光束传播法对开关的输出功率与折射率变化Δn的关系进行分析。如图4所示，不加调制时开关处于闭合状态，归一化输出光功率接近1，当上调制臂的折射率改变0.000 9时，输出光功率降为0，即开关处于断开状态。在Rsoft软件中对光开关的光场传输过程进行仿真（图5），当处于开状态时，有较强光输出，当处于关状态时，无光输出，直观明了。

图4 调制臂折射率改变对开关效果的影响

图5 光开关（a）开和（b）关状态光路传输图

3 结束语

综上所述，本文针对工程教育认证背景下的光电子技术课程，引入工程驱动教学法，将课堂教学与基于Rsoft软件的光电子器件设计开发相结合，提高了学生的工程实践能力。并以光开关为例，详细介绍了设计方法和器件开发流程，帮助学生熟悉特定的工程任务，并结合光电子器件基本原理的课堂教学，有效提高了光电子技术课程的教学效果。