異質整合是近年來半導體產業的主流趨勢，加上元宇宙時代的來臨，其中一個關鍵的物理元素－光扮演其重要角色，如何與電子系統作有效的協作，必須要先掌握與了解光學元件與光訊號模擬技術的要點。

圖一 : 本次東西講座邀請安矽思（Ansys）代理商茂綸（Macnica）資深應用工程師張緒國親臨現場分享其實務經驗。

本次東西講座特別邀請安矽思（Ansys）分享其實務經驗，並由其代理商茂綸（Macnica）資深應用工程師張緒國親臨現場，助攻電子光學系統開發業者一覽光學模擬世界的對策與應用解析。

專注模擬CAE解決方案提供商Ansys，成立距今已超過50年，在各個不同的物理領域方面處於領先地位，無論是車用、航太、石油、工業設備或高科技，Ansys針對多物理提供模擬平台，在平台底下的共用資料庫，包括流體、結構、高低頻電磁、光學、半導體、軟體系統。

而茂綸於1979年創立，並於2010年加入日商MACNICA集團，主要以代理國內外半導體電子零組件在台銷售為主，同時也涵蓋AI、自動化、物聯網解決方案以及軟體工程等相關業務。

張緒國指出，面對所有終端銷售產品，工程師遇到的前三大產品開發挑戰，不外乎包括需要大量的手動工作與不連續的工作流程，並且必須滿足許多新穎和差異化的產品要求，也會因為超窄公差而導致產品不夠堅固或成本較高，如何在越短的時間內、越低的成本底下，製成更高性能的產品，茂綸提出模擬解決方案。

在傳統物理設計流程中，製造原型機是最消耗時間和金錢成本的，而現今有了模擬工作流程技術後，可在製作之前，先透過電腦輔助設計（Computer-aided design；CAD）與電腦輔助工程（Computer-aided Engineering；CAE），進行虛擬模擬實驗與反覆的迴圈，設計好的結果才產生實際原型機測試，而憑藉Ansys模擬平台以及客戶的回饋，大幅提升了產品開發的效率。

圖二 : Ansys代理商茂綸資深應用工程師張緒國

巨觀與微觀世界下 光的多種應用解決方案

什麼是光？光是如何產生的？張緒國提出了一個對光學電子系統最基本的問題。他表示，根據人類長年觀察發現，光會直線前進、反射、折射，在巨觀世界下是作為光線去傳播，但是進入到微觀世界，必須回到光的電磁波，用波動的方式來對光進行傳遞的描述。

針對微觀世界以及巨觀世界，茂綸提供不同的解決方案與模擬軟體，在巨觀世界以幾何光學光線追蹤（ray tracing）的方式，代表軟體包括Ansys的Zemax以及SPEOS，至於微觀世界用FDTD方法Ansys的LUMERICAL。

張緒國解釋，光線追蹤又分為序列式與非序列式兩種，其中非序列式是模擬真實世界光線的追蹤，因為散射、二次反射形成分裂的雜散光，Zemax應用場景包含手機鏡頭模組、雷射光材料加工、LiDAR系統、車用抬頭顯示器、光學式脈搏感測器模擬、擴瞳光波導以擴增實境。

SPEOS純粹以非序列光線追蹤的產品，做光學系統設計軟體，強調人眼視覺真實模擬功能，首先將真實世界大型道路環境、移動的車輛和行人的CAD模型畫出，再加入光源設定（自然光、人造燈），針對結構去定義材料，像是折射率、散射，最後加入感測器去察看實際影像呈現最終結果。

進入到微觀世界，時域有限差分法（FDTD）方法是去做波動光學模擬分析，用於求解麥克斯韋方程式，在時間和空間領域上進行差分化，利用蛙跳式空間領域內的電場和磁場進行交替計算，通過時間領域上更新來模仿電磁場的變化，達到數值計算的目的。

Ansys的LUMERICAL則是針對光子學模擬軟體的黃金標準產品，從元件級分析到光子學整合電路和系統設計與模擬，可解決最具挑戰性的光子學設計問題。核心應用範圍有光通訊、LiDAR、AR/VR、圖像感測、量子、顯示器、照明、度量衡及缺陷。