向学生传授光子学知识，以建立美国劳动力

2019年，Kevin McComber ‘ 05，PhD ‘ 11在麻省理工学院研究集成光子学 – 基于芯片的设备，使用光发送和接收信号 – 并着手雇用某人设计光子芯片。这段经历使他意识到美国劳动力在集成光子学设计方面的专业知识是多么少，这是半导体制造中更广泛的工人短缺的一部分。

这一见解将改变麦康伯的职业生涯轨迹。

尽管当时没有光子学设计背景，McComber还是决定离开麻省理工学院，创办一家名为Spark Photonics的光子学设计服务公司。为了直接解决他目睹的人才短缺问题，McComber和他的联合创始人Al Kapoor成立了Spark Photonics Foundation，这是一个非营利组织，使用半导体和光子学技术向K-12和大学生传授STEM和先进制造的概念。

在过去的两年里，Spark Photonics Foundation促进了其基于项目的学习计划，称为SparkAlpha，在马萨诸塞州有400多名学生。

“基金会来自于认识到对工人的需求，并长期思考什么最有意义，不仅对我们而且对国家，以解决光子学和半导体制造更广泛的差距，”麦康伯说。

SparkAlpha计划让学生接触集成光子学的应用 – 包括化学传感和机器视觉等领域 – 并挑战他们概念化基于光子学的创造性产品以解决问题。它还涉及前往当地大学和在半导体供应链中工作的公司。在课程结束时，学生们在McComber与电视节目“鲨鱼坦克”进行比较的事件中提出他们的想法。

“它让学生走出课堂，这就是我们发现的一大价值，特别是对于那些正在努力提出相关的21世纪课程的学校，”麦康伯说。“我们可以进来说，我们是一家需要人们来做这件事的公司，我们会让你与其他有这种需求的公司取得联系。大多数K-12学校甚至许多大学都在努力建立这些联系。

除了教授学生外，该基金会还试图教育社区并在K-12学校，行业和当地大学之间建立联系。

“人们倾向于认为制造业是那些无法思考的学生的职业，或者只能用手做重复的事情，”麦康伯说。“绝对不是这样。我知道这一点，因为我在创办Spark之前曾在制造业工作。我们正在改变与教师、指导顾问、校长、家长——学生的整个影响者领域——围绕制造业的对话。

迈出这一步

麦康伯的麻省理工学院之旅早在他向学校提交申请之前就开始了。

“三年级时，我意识到我喜欢数学，”麦康伯解释说。“一位老师告诉我，’如果你喜欢数学，你应该成为一名工程师，如果你想成为一名工程师，你应该去麻省理工学院。到了7年级，我决定一定要去麻省理工学院。

McComber在麻省理工学院主修材料科学与工程。在那段时间里，他倾向于用双手工作。当他决定留在麻省理工学院在莱昂内尔·基默林教授的指导下攻读博士学位时，他开始修补金默林的光子学机器。修补从未真正停止过，在接下来的六年里，McComber继续获得集成光子学制造的博士学位，研究用于光操纵和检测的芯片级器件的生产。

到2011年麦康伯毕业时，他已经在麻省理工学院呆了10年，并认为他将永远离开。在接下来的几年里，他在英特尔从事芯片制造工作，然后转而担任业务咨询职务。

然后在2018年，他接到了Kimerling的电话。麻省理工学院已经开始了一项综合光子学劳动力计划，Kimerling希望McComber加入团队。他无法抗拒。

这项工作是联邦政府资助的名为AIM Photonics的计划的一部分，该计划的使命是推动美国的集成光子学行业。

“部分职位是开始集成光子学的设计服务，因为美国没有这样的服务，”McComber回忆道。“我不擅长设计，所以我四处要求其他人创办一家设计公司。没有人愿意。

在Kimerling的祝福下，McComber决定离开麻省理工学院，与Kapoor一起创办一家光子学设计公司。

从那时起，Spark Photonics帮助各种规模的公司设计集成光子学。该公司还通过与提供设计软件和制造设施的组织合作来扩展其服务，为可扩展的集成光子学设计提供端到端服务。

这项工作使McComber敏锐地意识到集成光子学人才的短缺，他想到了一种补充麻省理工学院正在进行的劳动力培训的方法。

“有一个巨大的潜在制造人才漏斗，在小学、初中和高中被削减，然后在大学和研究生院变得非常小，“McComber 解释道。“我们不想在漏斗的尽头争夺一小块，而是想去上游解决大部分问题。其中很大一部分，比如代表性不足的少数民族和女孩，传统上不会通过STEM漏斗来解决，所以我们说如果我们能在更高的点上移动针头，我们真的可以做出很大的改变。

火花光子学基金会的工作始于马萨诸塞州，并于 2021 年获得联邦政府的资助。那年秋天，McComber将Spark的编程添加到切姆斯福德高中的创业课上。Spark的第一位员工在洛厄尔高中的工程课程介绍中运行了下一个程序。作为项目的一部分，学生们参观了米德尔塞克斯社区学院和马萨诸塞州图克斯伯里的精密电子公司Mycronic，因为他们制定了他们的解决方案。

最后，学生们表示，课程增加了他们对先进制造业职业的了解，使他们对STEM领域更感兴趣。老师们还发现Spark的程序是一个实用的脚手架，可以教授更抽象的概念。

“在洛厄尔，老师起初非常抗拒，因为她必须教很多东西才能完成课程，”麦康伯说。“但是一旦她进入其中，她发现她可以使用这个有形的程序来分层她正在教授的所有其他概念。到第三周，她几乎抛弃了她计划的课程，并以我们的课程为平台，让学生有形。这种情况并不少见。

到目前为止，该计划总共在22间教室中运行，主要的限制因素是Spark的团队仍然必须前往学校进行。该公司最近获得了另一项联邦拨款，这将加速其扩展能力。

课程虚拟化

9月27日，国防部宣布已授予Spark Photonics Foundation资金，用于创建一个虚拟教师培训计划，以在全国范围内扩展其课程。该基金会已经开始在马萨诸塞州斯普林菲尔德的西新英格兰大学举办K-12教师的专业发展研讨会，在那里他们了解光子学行业和学生可能的职业道路。

“当我们走进教室时，我们不认识班级，但老师知道，”麦康伯说。“他们知道哪些学生很难理解视觉呈现的材料，或者哪些学生有英语学习需求，或者哪些学生在个人教育计划中。我们认为，通过这种新模式，我们不仅可以将其分发给更多的教师，因为我们是通过 Zoom 培训他们的，而且他们可以根据自己的课堂进行定制。

Spark还推出了第二个项目SparkBeta，让学生学习Python编码语言，并用它来设计光子芯片。

“在SparkBeta中，学生实际上是在大约六个小时的教学后完成设计的，”McComber说。“这对每个人来说都是平易近人的，我们认为该计划有一个美好的未来，因为它融合了我们业务中的设计和教育，它打破了很多障碍，让学生思考他们以前从未想过的教育和职业道路。

这实现了基金会的一个关键目标：不仅为学生提供技能，而且还将先进制造业放在全国各地学校的地图上。

“我们正在改变谈话，因为如果我们没有在那里，老师们可能永远不会说光子学甚至半导体这个词，”McComber说。“现在他们看到这得到了行业和大学的支持。他们看到这是建立半导体劳动力的国家优先事项。