PIC Mach-Zenhder Modulator OptiSLang優化應用

Mach-Zenhder Modulator元件技術架構

隨著人工智慧、高速運算（HPC）及資料中心技術快速發展，光通訊系統對於高速、低功耗及高頻寬光調變器的需求日益提升。Mach-Zehnder Modulator（MZM）因具備優異的調變效率及良好的高速傳輸能力，已成為矽光子（Silicon Photonics）技術中的重要元件之一。
然而，Mach-Zehnder Modulator的設計涉及光學、電學及系統層級等多重物理效應，單一模擬工具難以完整評估其性能表現。

Mach-Zehnder Modulator（MZM）是一種利用干涉原理實現光訊號調變的光學元件。其運作方式為將輸入光分為兩條光路，透過外加電壓改變其中一路或兩路波導的折射率，進而造成相位差變化，最終於輸出端形成不同強度的光訊號。
Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator則進一步導入行波電極（Traveling Wave Electrode）設計，使射頻訊號與光訊號能同步傳輸，以提升高頻操作能力及降低訊號失真。此類結構廣泛應用於高速光收發模組、資料中心互連及共同封裝光學（Co-Packaged Optics, CPO）等領域。

Ansys Lumerical& OptiSLang方案Workflow

本專案導入ANSYS Lumerical多模組平台，並結合OptiSLang最佳化技術，建立跨平台整合模擬流程，以提升元件設計效率並縮短產品開發週期。
由於Mach-Zehnder Modulator涉及半導體載子效應、光波導傳輸及射頻訊號傳播等不同物理機制，因此本專案採用ANSYS Lumerical多平台協同模擬方式進行分析。
整體流程整合：

Ansys Lumerical Mode & Multiphysics串聯應用

首先利用CHARGE模組分析PN Junction中的載子分布情形，再將結果匯入MODE模組進行折射率變化及射頻特性分析，最後透過INTERCONNECT建立系統層級模型驗證元件性能。
OptiSLang則負責串接各模組分析結果，建立自動化參數分析與最佳化流程，進一步提升設計效率。

整體模擬流程以Traveling Wave Mach-Zehnder Modulator為核心架構，涵蓋電學分析、光學分析及系統驗證三個主要階段。
首先建立包含PN Junction及行波電極的元件模型，透過電學模擬獲得載子分布資訊；接著分析折射率變化對光波傳播的影響；最後建立系統模型評估訊號傳輸品質。
透過此流程可有效串聯不同物理場分析結果，建立完整且具工程實用性的設計驗證架構。

由於Mach-Zehnder Modulator涉及半導體載子效應、光波導傳輸及射頻訊號傳播等不同物理機制，因此本專案採用ANSYS Lumerical多平台協同模擬方式進行分析。
首先利用CHARGE模組分析PN Junction中的載子分布情形，再將結果匯入MODE模組進行折射率變化及射頻特性分析，最後透過INTERCONNECT建立系統層級模型驗證元件性能。
OptiSLang則負責串接各模組分析結果，建立自動化參數分析與最佳化流程，進一步提升設計效率。

完成交流阻抗分析後，可進一步建立Traveling Wave Electrode之RF傳輸線模型。
模型主要描述：由於調變器性能高度依賴光訊號與RF訊號之速度匹配程度，因此此分析為設計最佳化的重要環節。

OptisLang整合跨平台優化：

本研究以RF速度與光群速度匹配為最佳化目標。
當兩者速度差異越小，訊號傳輸失真越低，調變器頻寬表現亦越佳。
因此OptiSLang將速度差異設定為主要目標函數進行最佳化分析。

Sensitivity Analysis
Sensitivity Analysis主要用於找出對性能影響最大的設計參數。
透過此分析可快速辨識關鍵設計變數，避免於低影響參數上浪費過多運算資源。
Optimizers and Optimization Result
完成敏感度分析後，OptiSLang利用多種最佳化演算法進行搜尋，包括：

• AMOP（Adaptive Metamodel of Optimal Prognosis）
• Evolutionary Algorithm

藉由代理模型與演化演算法結合，可有效縮短搜尋時間並提高最佳解尋找效率。

OptiSLang優化結果比較

為驗證最佳化效益，本研究比較最佳化前後之系統模擬結果。
分析項目包括：

• Pulse Generator輸出波形
• Photodetector接收訊號
• Eye Diagram分析

結果顯示：

• Eye Opening明顯增加
• 訊號抖動降低
• 波形完整性提升
• Bit Error Rate改善

顯示最佳化後之設計具備更佳的高速傳輸能力與系統穩定性。