深入解析环旭电子1.6T高速光收发模组

在本系列的的第三篇，USI环旭电子将把焦点进一步收敛到最精密、也最容易被忽略的「光学设计核心」。从光学模拟到光耦合设计，说明为何微米级的光路控制，往往才是决定 1.6T 光收发模组良率、成本与量产可行性的最后一哩路。

两大光学模拟阵营：波动光学与几何光学

光学产品设计时，通常会使用光学模拟软体来协助设计，好比在设计照相机镜头时，会使用成像光学软体来分析镜片组的影像品质，例如镜头解析度、赛德尔像差、色差等。在 1.6T 光收发模组中，单一元件即使只有微米级偏差，也可能造成耦合效率下降、发射功率不足或接收灵敏度恶化。

因此，光学模拟不只是设计辅助工具，更是确保产品可制造性与量产良率的关键。近年来，光通讯已经进展到光电半导体的领域之中，因此会依据产品特性，使用不同功能的光学软体来设计产品。光学模拟软体主要区分两大类：「波动光学」与「几何光学」模拟软体。

图一：波动光学（如 FDTD）常见于绕射光栅、光子晶体、Grating Coupler 等微结构之光子元件分析

「波动光学」软体： Lumerical、RSoft

透过求解马克士威方程式(Maxwell’s equations)分析电磁波传播与光场分布。其中，「时域有限差分法(Finite-Difference Time Domain, FDTD)」为常见手法之一，模拟电磁波于微结构的散射、绕射、干涉、反射、吸收与传递等行为，广泛应用于光子积体电路(Photonic Integrated Circuit, PIC)[a] 元件设计，常见软体 Lumerical FDTD、RSoft FullWAVE 等。

由于 FDTD 计算量庞大且耗时，针对不同应用需求亦发展出其他波动光学工具。例如，波导或是元件节面模态分析可使用 Lumerical Mode、RSoft FemSIM 等；PIC 之晶片架构设计则可使用 Lumerical Interconnect 或是 RSoft Photonic Device Compiler 等工具进行模拟与设计。

「几何光学」软体：Zemax OpticStudio、CodeV 与 Speos、LightTools、TracePro

此类软体主要将光的传递简化为几何上的「光线」，忽略光的波动性，如干涉、绕射等，主要依据四个核心假设与定律之上：

光在均匀介质中，沿直线传播

光线的独立传播：当光束相交时，彼此不会互相干扰

反射定律：当光线入射界面时，反射角等于入射角，且入射光、反射光与法线在同一平面上

折射定律(或称司乃耳定律，Snell’s Law)：当光线从一个介质进入另一个介质时，会因为行进速度改变而发生偏折。数学公式：n₁ sinA₁ = n₂ sinA₂，其中 n₁ 与 n₂ 为不同介质之折射率；A₁ 与 A₂ 为光线与法线的夹角

图二：折射与反射定律之概念图解

序列与非序列光线追迹：两种光路模拟逻辑

几何光学模拟主要可分为：「序列光线追迹」与「非序列光线追迹」。序列光线追迹模拟软体如 Zemax Studio[a]、CodeV 与 OSLO 等；非序列光线追迹模拟软体则包括 Speos、LightTools 与 TracePro 等。

图三：Zemax OpticStudio设计范例：序列光线追迹计算快、最佳化效率高，常用于镜片与成像系统设计。

序列光线追迹：该类型的模拟软体使用近轴近似来简化数学的计算，并定义光线依序通过的光学表面进行计算，光线按照指定顺序完成折射或反射分析。因计算速度快、最佳化效率高，常用于镜片与成像光学系统设计。

图四：TracePro 光线追迹范例，非序列光线追迹更贴近真实光学行为，常用于杂散光与鬼影分析。

非序列光线追迹：这种软体则不限制光线的传播路径，光线会依据实际几何结构产生反射、折射、吸收等能量分配计算，并在系统中多次传播，直到被侦测器接收、离开系统或是能量低于设定阀值为止。由于更接近真实光学行为，常用于照明系统、杂散光或鬼影分析，但所需运算资源与模拟时间也相对较高。

对于光学晶片设计厂商而言，由于元件结构尺寸多介于微米(μm)，甚至于奈米(nm)等级，光的绕射、干涉与模态分布等波动特性对元件性能具有显著影响，因此较依赖波动光学模拟软体进行元件设计与分析。相较之下，EMS电子制造服务商所设计的光学元件与模组尺寸通常较大，光可视为光线束进行传播，因此多采用几何光学模拟软体进行产品开发与最佳化。

光通讯模组的设计核心：发射端耦合与接收端聚焦

以USI环旭电子的光通讯模组光学开发为例，在产品设计阶段，主要透过几何光学模拟软体进行光路分析。其中，发射端(Transmitter, Tx)着重于光讯号与光纤之间的光耦合效率分析，以提升传输效率；而接收端(Receiver, Rx)则着重于光学系统的聚焦设计，确保接收光讯号能准确聚焦于光检测器(Photodetector, PD)上，以提高接收端灵敏度与系统性能，架构图如图五所示：

图五：光收发模组发射端（Tx）与接收端（Rx）之光学架构与光路模拟示意（含 EML／PIC 耦光方案与接收端聚焦设计，对应内文 (a)–(d)）。

图五 (a)、(b)、(c) 分别为不同方案架构的发射端上视图，(d)为接收端侧视图。(a)EML方案，只显示一个光路之设计；(b)PIC含有LD之方案，PIC通常内含多通道光路，故会使用光纤阵列(Fiber Array Unit, FAU)架构；(c)PIC不含LD之方案；(d)接收端，只显示一个PD架构，若是PD阵列则会使用FAU。

发射端（Tx）：EML 与硅光子（PIC）两大耦光方案

发射端主要有两大方案：电吸收调变雷射(Electro-absorption Modulation Laser, EML)方案或是 PIC 技术的方案，因此需要评估光源到光纤或是光源到晶片、晶片到光纤的耦合计算。

EML 耦光设计方案：可参考图五之(a)，通常会使用至少一个透镜与隔离器(Isolator)，将雷射的光源耦合至光纤之中，因此透过模拟软体设计透镜并计算耦合效率与公差分析，以估算系统之损耗与制造之可行性评估[c]，细节如图六所示。

PIC 设计方案：该方案有两种晶片设计，一种是将雷射封装至 PIC 晶片内，参考图五之(b)；另外一种则是单纯提供 PIC 晶片，需要外置雷射，参考图五之(c)。前者对于下游模组厂商来说，只需要遵循 PIC 指导书进行设计，晶片厂商会建议FAU的对应规格，因此只需针对系统尺寸进行微调；后者则是需要设计雷射耦光至 PIC，其设计方式与 EML 方案很雷同，只是将光纤的部分换成 PIC 晶片中的波导，并针对模态匹配进行耦合计算，PIC 出口端则与前者相同，遵循 PIC 指导书设计 FAU 对应系统尺寸规格。

图六：雷射到光纤耦光模拟 (a)元件架构与光线图 (b)辐射照度图 (c)公差分析

接收端（Rx）：斜切 FAU 与精准聚焦设计

接收端是由光纤传出光讯号，再透过透镜，聚焦到光电探测器晶片上的对焦设计，参考图五之(d)。因光收发模组空间上的限制，需将 FAU 设计一斜切角度，让光源从水平方向转向至垂直方向，再透过 PD 表面的透镜，将光源聚焦至感应区域。因此透过光学模拟软体，设计光纤的斜切角度、估算耦合效率与计算容许公差来评估接收端的光学设计，如图七所示。

图七：接收端之光学模拟 (a)元件架构与光线图 (b)光纤角度与损耗关系图 (c)FAU位置公差分析

从设计到量产：USI 携手光创联的完整布局

对投资人与潜在客户而言，光学模拟与光耦合设计能力之所以重要，在于它直接牵动三件事：良率、成本与交期。当单通道速率迈向 200Gb/s PAM4、模组整体迈向 1.6T 甚至更高，任何微米级的耦光偏差都会被放大为可观的功率损耗与良率损失。能在设计阶段就以光学模拟精准掌握公差、并在量产阶段以自动化耦光制程稳定重现，正是缩短导入周期、降低试错成本的关键。

总结而言，环旭电子及光创联已具备光收发模组发射端与接收端的设计与开发经验，并已累积光收发模组、外部雷射小型可插拔模组(External Laser Small Form-factor Pluggable, ELSFP)等产品之研发实绩。双方的结盟，将能为客户提供一套从光学模拟、耦合设计、验证到量产的一站式光通讯解决方案，协助全球品牌客户与资料中心业者，在 AI 光互连的竞赛中抢得先机。

注解：

[a] 常见的 PIC 主要是以硅为材料，因此厂商会标注为硅光子。

[b] Zemax OpticStudio 已将非序列光线追迹的功能并入，但仍以使用序列为主

[c] 如果光源修改为 DFB 雷射，即为外部雷射小型可插拔模组。EML 是可以带有讯号的雷射光源，而 DFB 雷射则为连续波雷射。

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