潘 盼，查申龍，聞 軍，占生寶

（安慶師范大學(xué) 電子工程與智能制造學(xué)院，安徽 安慶 246133）1

“光電子技術(shù)”是光電信息科學(xué)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(guān)技術(shù)，是光電信息技術(shù)中最為活躍的高新技術(shù)之一，工程應(yīng)用性強(qiáng)。在當(dāng)前高校課程教學(xué)中，主要以教材為主進(jìn)行課堂講授，使學(xué)生對(duì)光電子技術(shù)的基本概念、技術(shù)和器件有比較全面和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。但是，仍普遍存在一些問(wèn)題：（1）重理論，輕實(shí)踐。在工程教育專業(yè)認(rèn)證大背景下，傳統(tǒng)教學(xué)偏重理論知識(shí)傳授，缺乏相應(yīng)的實(shí)踐訓(xùn)練，已不能滿足要求；（2）灌輸式教學(xué)，教學(xué)效果差。課堂教學(xué)以知識(shí)灌輸為主，學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性較差，缺少動(dòng)手動(dòng)腦的機(jī)會(huì)。工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法近年來(lái)常被應(yīng)用到工科專業(yè)課程上[1]。所謂“工程”，是運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和技術(shù)原理對(duì)具體產(chǎn)品、工藝、設(shè)施和目標(biāo)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、施工，直到完成驗(yàn)收為止的一個(gè)周期性過(guò)程。工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的核心是工程實(shí)踐，目標(biāo)是培養(yǎng)能解決復(fù)雜工程問(wèn)題的人才。我們?cè)诠怆娮蛹夹g(shù)課程中引入工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，具體做法是將光電子器件的仿真設(shè)計(jì)以工程任務(wù)的形式融入課堂教學(xué)中[2]。通過(guò)理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，為光電專業(yè)完成工程認(rèn)證奠定基礎(chǔ)。

1 基于Rsoft軟件的光電器件設(shè)計(jì)

Rsoft是一款功能強(qiáng)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(gè)高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，包括光耦合器、波分復(fù)用/解復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、光柵等。有限差分光束傳播法[3]和有限時(shí)域差分法是Rsoft常用的兩種仿真方法，其中光束傳播法的計(jì)算過(guò)程高效、快速，更適合在教學(xué)應(yīng)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(gè)步長(zhǎng)，每一個(gè)步長(zhǎng)內(nèi)都假設(shè)是均勻介質(zhì)，通過(guò)第m個(gè)步長(zhǎng)的場(chǎng)分布φm來(lái)得到第m+1個(gè)步長(zhǎng)的場(chǎng)分布φm+1。場(chǎng)分布函數(shù)滿足標(biāo)量亥姆霍茲方程：

其中，φ是波函數(shù)，k是波數(shù)，可以寫(xiě)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(guò)設(shè)置邊界條件，可以采用傍軸近似對(duì)亥姆霍茲方程進(jìn)行求解，從而計(jì)算光束傳播過(guò)程。

光電子技術(shù)課程包括激光光源、光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器等內(nèi)容。針對(duì)其中關(guān)鍵的光纖和光波導(dǎo)器件，我們發(fā)布相應(yīng)工程任務(wù)，讓學(xué)生獨(dú)立完成相關(guān)器件的仿真設(shè)計(jì)，提交作品，并計(jì)入最終成績(jī)考核。具體任務(wù)內(nèi)容包括材料特性分析、波導(dǎo)設(shè)計(jì)、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和任務(wù)評(píng)價(jià)。

（1）材料特性分析。讓學(xué)生調(diào)研文獻(xiàn)資料，了解相關(guān)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(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

（2）波導(dǎo)設(shè)計(jì)。光波導(dǎo)限制光傳輸?shù)脑硎枪獾娜瓷洌凑詹牧咸匦栽O(shè)計(jì)相應(yīng)的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)。根據(jù)波動(dòng)光學(xué)及射線理論相關(guān)知識(shí)，對(duì)波導(dǎo)尺寸進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，包括芯層和包層厚度、波導(dǎo)形狀（脊形、矩形等）?；赗soft軟件對(duì)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)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(shè)計(jì)。在對(duì)器件原理充分理解的基礎(chǔ)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(duì)器件各部分參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)各種光控制功能。同時(shí)，可以對(duì)器件的熱光、電光和光譜等特性進(jìn)行詳細(xì)分析。

（4）任務(wù)評(píng)價(jià)。設(shè)置相同的任務(wù)目標(biāo)，但各小組用不同材料、不同方法、不同結(jié)構(gòu)來(lái)獨(dú)立完成。比如光開(kāi)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(dǎo)、淺脊形波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)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(wù)有相同目標(biāo)又有不同之處，最終通過(guò)集體匯報(bào)任務(wù)結(jié)果來(lái)進(jìn)行效果比較，有助于學(xué)生更全面掌握相關(guān)知識(shí)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)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(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)展示Rsoft軟件（基于有限差分光束傳播法）設(shè)計(jì)光波導(dǎo)器件的工程訓(xùn)練過(guò)程。

2.1 材料分析及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(diǎn)[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(dǎo)采用矩形結(jié)構(gòu)。在硅襯底片上沉積生長(zhǎng)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(dǎo)尺寸為4×4μm2，可以很好地將光場(chǎng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)和（b）模場(chǎng)分布

2.2 器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

光開(kāi)關(guān)采用基于1×2 MMI的馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)[5]，包括兩個(gè)對(duì)稱的MMI和兩個(gè)調(diào)制臂。如圖2所示，一束光耦合輸入到第一個(gè)MMI，等分的兩束光分別進(jìn)入上、下調(diào)制臂，通過(guò)調(diào)制兩臂的折射率差來(lái)使兩束光積累不同的相位，到達(dá)第二個(gè)MMI后干涉輸出，實(shí)現(xiàn)干涉相長(zhǎng)或相消，即光開(kāi)關(guān)功能。在課程教學(xué)中，學(xué)生采用Rsoft軟件對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，確定光開(kāi)關(guān)各部分參數(shù)。

為了減小光開(kāi)關(guān)的損耗和增大消光比，最關(guān)鍵的是MMI設(shè)計(jì)。根據(jù)波導(dǎo)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(guò)Rsoft軟件掃描MMI長(zhǎng)度并獲得最佳分束效果。如圖3所示，在TE模式下，當(dāng)MMI長(zhǎng)度為338.8μm時(shí)，兩臂輸出的光功率最大。在TM模式下，當(dāng)MMI長(zhǎng)度為338.0μm時(shí)，兩臂輸出的光功率最大。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)偏振的需求確定最終結(jié)構(gòu)，并通過(guò)熱光調(diào)制[6]或電光調(diào)制[7]的方法來(lái)改變兩臂折射率差，從而實(shí)現(xiàn)光路開(kāi)或關(guān)的功能。

圖2 馬赫-曾德干涉儀型光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

圖3 TE模式（a）和TM模式（b）的最佳MMI長(zhǎng)度（LMMI）掃描

2.3設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果，用兩個(gè)調(diào)制臂（單模直波導(dǎo)）連接兩個(gè)對(duì)稱的1×2 MMI，形成光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步對(duì)開(kāi)關(guān)性能進(jìn)行仿真。假設(shè)臂長(zhǎng)為1 000.0μm，采用有限差分光束傳播法對(duì)開(kāi)關(guān)的輸出功率與折射率變化Δn的關(guān)系進(jìn)行分析。如圖4所示，不加調(diào)制時(shí)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，歸一化輸出光功率接近1，當(dāng)上調(diào)制臂的折射率改變0.000 9時(shí)，輸出光功率降為0，即開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。在Rsoft軟件中對(duì)光開(kāi)關(guān)的光場(chǎng)傳輸過(guò)程進(jìn)行仿真（圖5），當(dāng)處于開(kāi)狀態(tài)時(shí)，有較強(qiáng)光輸出，當(dāng)處于關(guān)狀態(tài)時(shí)，無(wú)光輸出，直觀明了。

圖4 調(diào)制臂折射率改變對(duì)開(kāi)關(guān)效果的影響

圖5 光開(kāi)關(guān)（a）開(kāi)和（b）關(guān)狀態(tài)光路傳輸圖

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文針對(duì)工程教育認(rèn)證背景下的光電子技術(shù)課程，引入工程驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，將課堂教學(xué)與基于Rsoft軟件的光電子器件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)相結(jié)合，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。并以光開(kāi)關(guān)為例，詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)方法和器件開(kāi)發(fā)流程，幫助學(xué)生熟悉特定的工程任務(wù)，并結(jié)合光電子器件基本原理的課堂教學(xué)，有效提高了光電子技術(shù)課程的教學(xué)效果。