隨著AR眼鏡朝向輕量化、高透光率及大視場角發展，以衍射光波導（Diffractive Waveguide）為核心的 AR Grating 技術已成為主流光學架構之一。其透過奈米級光柵結構控制光線傳播方向，使虛擬影像能在極薄的玻璃基板內完成導光與成像。AR光波導的運作機制主要可分為三個階段：

• 耦入（Input Coupling）
  透過耦入光柵改變入射光角度，使光線進入玻璃基板並形成全反射傳輸。
• 擴瞳（Pupil Expansion）
  利用轉向光柵進行光束複製與擴展，增加Eyebox範圍並提升觀看體驗。
• 耦出（Output Coupling）
  透過耦出光柵將光線導出波導，並將虛擬影像投射至人眼視野中。

跨平台模擬與最佳化架構

本專案採用跨尺度、多軟體協同模擬架構，將不同層級的光學分析工作分配至最適合的模擬平台執行。

Lumerical

Lumerical主要負責光柵微結構建模，並將分析結果轉換為SPEOS可讀取之JSON結構檔案，建立完整結構資料庫。

SPEOS

SPEOS負責光學模擬，利用Lumerical所建立的結構，建構完整AR光波導系統並模擬最終出光表現。

OptiSLang

OptiSLang則作為最佳化平台，整合Lumerical與SPEOS模擬流程。透過Python控制，自動切換不同結構組合並執行大量設計點分析。

AR Grating最佳化工作流程

本研究建立完整自動化工作流程如下：

透過此流程可避免大量人工操作，提高設計效率與分析可靠度。

案例研究：二維擴瞳光波導系統

本研究以二維擴瞳（2D Pupil Expansion）光波導架構作為驗證案例。
系統配置包含：

• 1組耦入光柵
• 3組轉向光柵
• 5組耦出光柵

透過多組光柵共同作用，使輸入光束能夠在波導中逐步擴展並均勻分布於觀察區域，目標為在光效率與亮度均勻度之間取得最佳平衡。

光柵結構庫建構

為提高最佳化效率，本研究首先利用Lumerical建立光柵結構資料庫。
不同光柵結構經由RCWA分析後，將其衍射特性、角度響應及光學效率整理為JSON格式資料檔。
此結構庫作為後續SPEOS模擬之輸入來源，使系統能快速切換不同光柵設計，而無須重新建立電磁模型。

OptiSLang參數化建模

完成結構庫建構後，於SPEOS建立模型OptiSLang串接SPEOS與結構庫。

透過Python控制節點：

• 自動讀取結構庫路徑
• 替換SPEOS結構設定

同時依據實際需求建立多個光柵區域參數，作為後續最佳化變數。

亮度量測方法

為量化系統性能，本研究採用分析方法如下。

1. 指定區域內平均亮度
2. 於指定觀察區域內選取九個測量位置：
   • 計算最大亮度
   • 計算最小亮度
   • 評估亮度差異

此方法能同時反映整體出光效率與空間均勻度表現。

多目標最佳化策略

AR光波導設計通常同時面臨亮度與均勻度之間的取捨關係。
因此本研究採用多目標最佳化策略，設定兩項主要目標：

平均亮度最大化

提升使用者實際可見影像亮度。

亮度差異最小化

降低九點量測中最大值與最小值之差異，提升顯示均勻性。
透過OptiSLang可同時考量兩項目標，尋找最佳折衷解（Trade-off Solution）。

AMOP分析與最佳化結果

完成設計點分析後，OptiSLang利用AMOP（Adaptive Metamodel of Optimal Prognosis）建立代理模型，快速預測設計空間中的性能變化。

分析結果顯示：

• 設計點47
• 設計點77
• 設計點24
• 設計點1

均為較具代表性的候選方案。
其中設計點47在維持高亮度的同時，具備較佳的均勻度表現，因此成為最佳候選方案。

設計方案比較分析

比較各設計方案模擬結果可發現：

• 設計點1：作為初始設計方案，中央區域仍存在明顯亮度不均現象。
• 設計點24：均勻度表現最佳，但平均亮度下降幅度較大，導致整體光效率降低。
• 設計點77：平均亮度有所提升，但局部區域仍存在亮度不均問題。
• 設計點47：兼顧亮度與均勻度兩項指標，在整體性能表現上最具優勢。

結果亦顯示平均亮度與均勻度之間存在明顯Trade-off關係，符合光學系統設計的一般物理現象。

結論

本專案成功整合Ansys Lumerical、Ansys SPEOS及Ansys OptiSLang三套平台，建立完整的AR Grating光波導最佳化流程。

透過Lumerical建立光柵結構資料庫、SPEOS執行系統級光學模擬，以及OptiSLang進行自動化多目標最佳化分析，有效縮短設計週期並提升設計效率。

研究結果顯示，平均出光效率與照明均勻度之間存在明顯的制衡關係，需透過系統化最佳化方法尋找最佳平衡點。其中設計點47於亮度與均勻度表現上取得最佳綜合成果，驗證本研究所建立之跨平台設計流程具備良好的工程實用性與應用價值。

未來此方法可進一步應用於AR眼鏡、混合實境（MR）裝置及新世代光波導顯示系統開發，作為光學設計與最佳化的重要參考架構。

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。

PIC Mach-Zenhder Modulator OptiSLang優化應用 first appeared on 睿騰創意.]]> https://www.rayteng.com.tw/cpo-micro-led-meta-lens-optislang%e5%84%aa%e5%8c%96%e6%87%89%e7%94%a8/ Fri, 05 Jun 2026 10:02:39 +0000 https://www.rayteng.com.tw/?p=5477 Micro LED CPO光源模組技術架構 在AI高速大量運算環境下，MICRO LED在功率、頻寬、環境溫度 […]

科技廠辦相較一般廠房或建築空間對於結構、溫控、風流、水流 有更嚴苛的要求。過往進行工程項目都是沿用經驗值來進行設計或規劃。
高架地板是廠辦規化的重要一環，需要考量回風管路的空間，及結構重量與上方設備儀器荷重會造成地板承壓變形。更進一步會干擾到回風管路與各種線材通道的配置與規劃。碩大的生產設備、構造用以往經驗值加上Try& Error方式，在完工時程與成本控制上容易產生延宕。

Discovery涵蓋流場、溫度、應力的多物理場解決方案。具有親切易學的特性，提供強大的自動化前處理工具。可以快速對所規劃的高架地板、設備、管路在完成第初步場域規劃後，透過GPU的高速運算，只要幾分鐘的時間就可以獲得應力分佈、變形尺度、不同位置剖面的結果。對比過往耗費數小時甚至數天進行的分析模擬。Discovery幾分鐘運算即可輸出報告，提供主管、廠商、客戶進行可視化的溝通及說明，讓設計工程師都能進行有效的分析模擬與判讀。

高架地板分析架構

設備荷重1500公斤

180cm*180cm高架地板範圍

高架地板每單位大小60cm*60cm

衍樑支架高度45cm~60cm

Discovery自動判斷物件接觸對，無須額外再設定接觸的邊界條件

局部前處理網格優化

Discovery具有親切的”局部保真度”功能，可以針對尺度較小的幾何物件進行細化的前處理設定，來確保模擬結果不會因為全域保真度的較大尺度，進而影響到更小尺度支架衍樑挖孔幾何的分析模擬結果。

完整的應力應變分析結果報告

可視化的模擬結果產出

呈現出荷重後之變形偏移量、並觀察局部衍樑支架的偏移量。及設備荷重後衍樑與地板之間的接觸應力。

衍樑支架接觸應力與內面之壓力分佈。

多樣化的模擬結果

除了上述的接觸應力、偏移量、應力之外，Discovery也可以輸出反力矩、軸向應力、最大剪裁應力的結果報告。

**部分圖片來自網路，若有疑慮請聯繫我們

半導體加工檢測設備再過去10年在台灣因為台灣多家半導體上下游大廠的大量投資，有效拉動相關技術的變革升級與有更嚴苛的要求。過往在檢測與加工設備都沿用經驗值來進行開發與設計。
但隨著半導體產品精度推向微奈米等級，以往使用經驗值加上Try& Error在開發要求與時程與成本控制上明顯會有困擾與衝突。透過軟體的模擬分析進而優化以提高研發品質是必然的方案。Ansys Zemax涵蓋成像光學的多項量化指標如光路、MTF、Spot diagram、成像優化解決方案。具有強大的優化與可程式輸入及親切視窗介面特性。

分光鏡設定

在半導體的加工或是檢測時經常需要提取光源中特定的譜段區間，來進行不同指定譜段光線的混合以產生指定譜段的光線。
或將不同光源產生之特定譜段進行提取，再進行混合之後來強化指定譜段光線之能量。使用Zemax的非序列模式進行不同偏振模式下的coating設定。以達到過濾不同頻譜區間的光線進行穿透或是反射的作用機制。

雷射切削模組/元件多組態優化

在半導體雷射加工應用中。可以載入特殊光路架構之鏡組例如：F-theta Lens，再進行其他相應光學元件的優化設計。能將所有系統光路由雷射光源涵蓋被加工之工件的完整光路系統。

在Zemax可透過多組態功能，將不同角度反射鏡的尺寸組態帶入，進行迴圈運算，再找出最佳的反射鏡角度與位置。並能將優化精度調整至0.001 mm來尋找最佳結果。

雷射切削鏡組光路優化

Zemax的序列光模式，方便讓工程師輸入每一鏡片的尺寸特徵。並能及時產生相應的光跡作用現象。並取相關需要變化的參數進行後續優化的準備。

Zemax也可以進行非序列的模式來檢視光跡現象。並透過照度模擬接收器來檢視光斑大小與不同位置之能量分佈。