環旭電子 | 深入 1.6T 光收發模組：光學模擬與光耦合如何影響效能與良率？

09/21/2026

深入 1.6T 光收發模組：光學模擬與光耦合如何影響效能與良率？

在本系列的的第三篇，USI環旭電子將把焦點進一步收斂到最精密、也最容易被忽略的「光學設計核心」。從光學模擬到光耦合設計，說明為何微米級的光路控制，往往才是決定 1.6T 光收發模組良率、成本與量產可行性的最後一哩路。

兩大光學模擬陣營：波動光學與幾何光學

光學產品設計時，通常會使用光學模擬軟體來協助設計，好比在設計照相機鏡頭時，會使用成像光學軟體來分析鏡片組的影像品質，例如鏡頭解析度、賽德爾像差、色差等。在 1.6T 光收發模組中，單一元件即使只有微米級偏差，也可能造成耦合效率下降、發射功率不足或接收靈敏度惡化。

因此，光學模擬不只是設計輔助工具，更是確保產品可製造性與量產良率的關鍵。近年來，光通訊已經進展到光電半導體的領域之中，因此會依據產品特性，使用不同功能的光學軟體來設計產品。光學模擬軟體主要區分兩大類：「波動光學」與「幾何光學」模擬軟體。

圖一：波動光學（如 FDTD）常見於繞射光柵、光子晶體、Grating Coupler 等微結構之光子元件分析

「波動光學」軟體： Lumerical、RSoft

透過求解馬克士威方程式(Maxwell’s equations)分析電磁波傳播與光場分布。其中，「時域有限差分法(Finite-Difference Time Domain, FDTD)」為常見手法之一，模擬電磁波於微結構的散射、繞射、干涉、反射、吸收與傳遞等行為，廣泛應用於光子積體電路(Photonic Integrated Circuit, PIC)[a] 元件設計，常見軟體 Lumerical FDTD、RSoft FullWAVE 等。

由於 FDTD 計算量龐大且耗時，針對不同應用需求亦發展出其他波動光學工具。例如，波導或是元件節面模態分析可使用 Lumerical Mode、RSoft FemSIM 等；PIC 之晶片架構設計則可使用 Lumerical Interconnect 或是 RSoft Photonic Device Compiler 等工具進行模擬與設計。

「幾何光學」軟體：Zemax OpticStudio、CodeV 與 Speos、LightTools、TracePro

此類軟體主要將光的傳遞簡化為幾何上的「光線」，忽略光的波動性，如干涉、繞射等，主要依據四個核心假設與定律之上：

光在均勻介質中，沿直線傳播
光線的獨立傳播：當光束相交時，彼此不會互相干擾
反射定律：當光線入射界面時，反射角等於入射角，且入射光、反射光與法線在同一平面上
折射定律 (或稱司乃耳定律，Snell’s Law)：當光線從一個介質進入另一個介質時，會因為行進速度改變而發生偏折。數學公式：n₁ sinA₁ = n₂ sinA₂，其中 n₁ 與 n₂ 為不同介質之折射率；A₁ 與 A₂ 為光線與法線的夾角

圖二：折射與反射定律之概念圖解

序列與非序列光線追跡：兩種光路模擬邏輯

幾何光學模擬主要可分為：「序列光線追跡」與「非序列光線追跡」。序列光線追跡模擬軟體如 Zemax Studio[a]、CodeV 與 OSLO 等；非序列光線追跡模擬軟體則包括 Speos、LightTools 與 TracePro 等。

圖三：Zemax OpticStudio設計範例：序列光線追跡計算快、最佳化效率高，常用於鏡片與成像系統設計。

序列光線追跡：該類型的模擬軟體使用近軸近似來簡化數學的計算，並定義光線依序通過的光學表面進行計算，光線按照指定順序完成折射或反射分析。因計算速度快、最佳化效率高，常用於鏡片與成像光學系統設計。

圖四：TracePro 光線追跡範例，非序列光線追跡更貼近真實光學行為，常用於雜散光與鬼影分析。

非序列光線追跡：這種軟體則不限制光線的傳播路徑，光線會依據實際幾何結構產生反射、折射、吸收等能量分配計算，並在系統中多次傳播，直到被偵測器接收、離開系統或是能量低於設定閥值為止。由於更接近真實光學行為，常用於照明系統、雜散光或鬼影分析，但所需運算資源與模擬時間也相對較高。

對於光學晶片設計廠商而言，由於元件結構尺寸多介於微米(μm)，甚至於奈米(nm)等級，光的繞射、干涉與模態分布等波動特性對元件性能具有顯著影響，因此較依賴波動光學模擬軟體進行元件設計與分析。相較之下，EMS電子製造服務商所設計的光學元件與模組尺寸通常較大，光可視為光線束進行傳播，因此多採用幾何光學模擬軟體進行產品開發與最佳化。

光通訊模組的設計核心：發射端耦合與接收端聚焦

以USI環旭電子的光通訊模組光學開發為例，在產品設計階段，主要透過幾何光學模擬軟體進行光路分析。其中，發射端(Transmitter, Tx)著重於光訊號與光纖之間的光耦合效率分析，以提升傳輸效率；而接收端(Receiver, Rx)則著重於光學系統的聚焦設計，確保接收光訊號能準確聚焦於光檢測器(Photodetector, PD)上，以提高接收端靈敏度與系統性能，架構圖如圖五所示：

圖五：光收發模組發射端（Tx）與接收端（Rx）之光學架構與光路模擬示意（含 EML／PIC 耦光方案與接收端聚焦設計，對應內文 (a)–(d)）。

圖五 (a)、(b)、(c) 分別為不同方案架構的發射端上視圖，(d)為接收端側視圖。(a)EML方案，只顯示一個光路之設計；(b)PIC含有LD之方案，PIC通常內含多通道光路，故會使用光纖陣列(Fiber Array Unit, FAU)架構；(c)PIC不含LD之方案；(d)接收端，只顯示一個PD架構，若是PD陣列則會使用FAU。

發射端（Tx）：EML 與矽光子（PIC）兩大耦光方案

發射端主要有兩大方案：電吸收調變雷射(Electro-absorption Modulation Laser, EML)方案或是 PIC 技術的方案，因此需要評估光源到光纖或是光源到晶片、晶片到光纖的耦合計算。

EML 耦光設計方案：可參考圖五之(a)，通常會使用至少一個透鏡與隔離器(Isolator)，將雷射的光源耦合至光纖之中，因此透過模擬軟體設計透鏡並計算耦合效率與公差分析，以估算系統之損耗與製造之可行性評估[c]，細節如圖六所示。
PIC 設計方案：該方案有兩種晶片設計，一種是將雷射封裝至 PIC 晶片內，參考圖五之(b)；另外一種則是單純提供 PIC 晶片，需要外置雷射，參考圖五之(c)。前者對於下游模組廠商來說，只需要遵循 PIC 指導書進行設計，晶片廠商會建議FAU的對應規格，因此只需針對系統尺寸進行微調；後者則是需要設計雷射耦光至 PIC，其設計方式與 EML 方案很雷同，只是將光纖的部分換成 PIC 晶片中的波導，並針對模態匹配進行耦合計算，PIC 出口端則與前者相同，遵循 PIC 指導書設計 FAU 對應系統尺寸規格。

圖六：雷射到光纖耦光模擬 (a)元件架構與光線圖 (b)輻射照度圖 (c)公差分析

接收端（Rx）：斜切 FAU 與精準聚焦設計

接收端是由光纖傳出光訊號，再透過透鏡，聚焦到光電探測器晶片上的對焦設計，參考圖五之(d)。因光收發模組空間上的限制，需將 FAU 設計一斜切角度，讓光源從水平方向轉向至垂直方向，再透過 PD 表面的透鏡，將光源聚焦至感應區域。因此透過光學模擬軟體，設計光纖的斜切角度、估算耦合效率與計算容許公差來評估接收端的光學設計，如圖七所示。

圖七：接收端之光學模擬 (a)元件架構與光線圖 (b)光纖角度與損耗關係圖 (c)FAU位置公差分析

從設計到量產：USI 攜手光創聯的完整佈局

對投資人與潛在客戶而言，光學模擬與光耦合設計能力之所以重要，在於它直接牽動三件事：良率、成本與交期。當單通道速率邁向 200Gb/s PAM4、模組整體邁向 1.6T 甚至更高，任何微米級的耦光偏差都會被放大為可觀的功率損耗與良率損失。能在設計階段就以光學模擬精準掌握公差、並在量產階段以自動化耦光製程穩定重現，正是縮短導入週期、降低試錯成本的關鍵。

總結而言，環旭電子及光創聯已具備光收發模組發射端與接收端的設計與開發經驗，並已累積光收發模組、外部雷射小型可插拔模組(External Laser Small Form-factor Pluggable, ELSFP)等產品之研發實績。雙方的結盟，將能為客戶提供一套從光學模擬、耦合設計、驗證到量產的一站式光通訊解決方案，協助全球品牌客戶與資料中心業者，在 AI 光互連的競賽中搶得先機。

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註解：
[a] 常見的 PIC 主要是以矽為材料，因此廠商會標註為矽光子。
[b] Zemax OpticStudio 已將非序列光線追跡的功能併入，但仍以使用序列為主
[c] 如果光源修改為 DFB 雷射，即為外部雷射小型可插拔模組。EML 是可以帶有訊號的雷射光源，而 DFB 雷射則為連續波雷射。

常見問答（FAQ）

Q1：什麼是光耦合（Optical Coupling）？耦合效率為何會影響光模組良率？
A：光耦合是將光訊號在雷射、透鏡、PIC、光纖與光偵測器之間有效傳遞的技術。元件位置、角度與組裝公差若偏離設計值，可能增加耦合損耗並壓縮光功率預算，進而影響模組性能、製程良率與量產成本。

Q2：波動光學與幾何光學模擬有何不同？光模組設計該用哪一種？
A：波動光學可分析繞射、干涉、偏振與模態傳播，適合 PIC、光柵耦合器與微型光學結構；幾何光學以光線追跡分析傳播路徑，適合透鏡、反射面與模組級光路。實務上應依元件尺度與分析目的選用，必要時搭配兩種方法。

Q3：序列與非序列光線追跡有何不同？
A：序列光線追跡依預先設定的表面順序計算，適合鏡片設計與成像系統最佳化；非序列光線追跡不限定光線通過物件的次序，可分析反射、散射、鬼影與雜散光。光模組設計可依分析目的選擇，必要時交叉驗證。

Q4：EML 分立光學與矽光子整合架構的光耦合設計有何差異？
A：EML 分立光學架構通常透過透鏡、隔離器等元件將光訊號耦合至光纖；矽光子架構則須處理雷射光源、PIC 光學介面與 FAU 之間的耦合。兩者在光路配置、耦合公差、封裝製程、熱管理及量產測試上各有不同。

Q5：FAU 的角度、間距與位置公差如何影響光耦合效率？
A：FAU（Fiber Array Unit，光纖陣列單元）將多根光纖依指定間距精密排列，用於連接模組中的多通道光學介面。FAU 的位置、角度、端面與通道間距若超出公差，可能增加耦合損耗或造成通道性能不一致。

Q6：光學模擬結果如何轉化為可量產的光耦合製程？
A：光學模擬可建立元件位置、角度與尺寸公差，再透過樣品量測及耦合效率驗證校正模型。USI 環旭電子與光創聯可進一步將模擬結果轉化為治具設計、對位參數、膠材固化條件與自動化製程規格，加速量產導入。