IL、RL與PDL有何不同？一次看懂矽光子元件三大光損測試指標

在矽光子積體光路（Photonic Integrated Circuit, PIC）中，最核心的及最基本的測試情境就是 o-o（Optical-to-Optical，光對光） 的能量轉換。當光訊號從光纖(Fiber)或光纖陣列(FAU, Fiber Array Unit)輸入PIC晶片，途中經過耦合器、光波導、分光器、濾波器或調變器等元件，最後再由指定端口輸出。在這整個純光進、純光出的 o-o （Optical-to-Optical, 光進光出）過程中，只要任何一環出現異常，都會導致輸出的光功率與元件效能不如預期。

為了精準評估 o-o 傳輸表現，工程師在進行量測時，必須同時觀測三個核心指標：IL、RL 與 PDL，它們都以分貝（dB, Decibel）- 相對比值或分貝毫瓦（dBm, Decibel-milliwatt）- 絕對功率為單位，三者各自代表不同的物理意義：

• 插入損耗（IL, Insertion Loss）： 觀測「少了多少光」。代表光訊號通過元件後所損失的能量。
• 回波損耗（RL, Return Loss）： 觀測「有多少光往回反射」。代表反射回光源處的光能量比例。
• 偏振相關損耗（PDL, Polarization Dependent Loss）： 觀測「改變偏振態後，損耗會變動多少」。代表元件對不同偏振光方向的敏感度。

30秒先看懂｜

• 插入損耗 (IL)： 數值越低越好（代表光「少了多少」），傳輸效率高。
• 回波損耗 (RL)： 數值越高越好（代表反射光被「壓制了多少」），反射干擾少。
• 偏振相關損耗 (PDL)： 數值越低越好（代表偏振態改變時，「損耗的波動有多小」），效能越穩定。
• 在相同的量測條件與設計規格下，這僅是通則，實際應用時仍須符合元件本身的允收標準

插入損耗（Insertion Loss, IL）是光訊號通過待測元件或指定光路後，輸出功率相對於輸入功率的減少量。依常用功率比定義：IL (dB) = 10 log10 [P_in / P_out]

若輸入功率為1 mW、輸出功率為0.5 mW，IL約為3 dB，表示輸出端保留約一半的輸入光功率。一般而言，在相同參考面、波長、偏振與溫度下，IL越低代表指定光路保留的功率越多。

PIC量到的IL可能同時包含光纖與晶片耦合損耗、光波導的散射與吸收、彎曲或轉接結構、元件本身的傳輸特性，以及量測對準與校正誤差。也就是說，IL能先回答「損失多少」，卻不能單憑一個數值判定「損失發生在哪裡」。

常見誤區｜光纖到光纖（fiber-to-fiber）的總IL，不等於光波導的單位長度傳播損耗。若要得到dB/cm等傳播損耗，通常還需適當的校正結構、不同長度波導或其他萃取方法，並清楚定義參考面。

回波損耗（Return Loss, RL）描述入射光中有多少功率被元件或介面反射回來。採常見的正值表示方式時：RL (dB) = 10 log10 [P_in / P_reflected]

若輸入功率為1 mW、反射功率為0.001 mW，RL為30 dB，代表約0.1%的入射功率被反射。這也是RL最容易被誤判的地方：RL數值越高，通常表示反射越少、光學介面的回反表現越好；RL越低，則代表相對較多的光返回輸入端。

PIC中的回反可能來自光纖端面、邊緣耦合器或光柵耦合器、折射率突變、光波導不連續處，以及不同材料或幾何結構的介面。反射光也可能與前向光形成干涉，使光譜出現波紋；對雷射或系統穩定度的實際影響，仍須依元件架構與規格判斷。

名詞提醒｜Reflectance(反射率)常以負dB表示，RL(回波損耗)則常以正dB表示；例如Reflectance＝−30 dB與RL＝30 dB可代表相同的功率反射比。閱讀報告前應先確認符號與定義，不能只比較數字大小。

偏振相關損耗（Polarization Dependent Loss, PDL）是輸入光的偏振態改變時，元件插入損耗的最大變動範圍。ITU-T G.671將PDL定義為所有偏振態（State of Polarization, SOP）下，插入損耗的最大變化量，可簡化表示為：PDL (dB) = IL_max - IL_min

若同一波長下，不同偏振態量得的IL介於1.2至1.6 dB，PDL即為0.4 dB。PDL越低，通常表示元件輸出較不受輸入偏振變化影響；PDL越高，則表示不同偏振態可能得到較明顯不同的傳輸結果。

矽光子光波導及耦合結構可能對TE模式(Transverse Electric Mode，橫電模，光波的電場方向完全垂直於光的傳遞方向。)、TM模式(Transverse Magnetic Mode，橫磁模，光波的磁場方向完全垂直於光的傳遞方向。)呈現不同響應，幾何不對稱、耦合器設計、模式轉換、製程尺寸偏差或材料雙折射等因素，都可能影響偏振敏感度。對實際系統而言，輸入偏振若隨光纖擾動、封裝或溫度變化而改變，PDL便可能轉化為接收功率波動。

嚴格定義｜PDL是跨所有偏振態的最大IL差。工程上有時會比較TE與TM的損耗，但單次TE／TM差值不一定等同完整PDL；兩者能否直接對應，取決於元件設計、激發模式與量測方法。

在光纖通訊或高頻元件的量產測試與品質檢驗中，插入損耗 (IL)、反射損耗 (RL) 與偏振相關損耗 (PDL) 必須一起看，因為它們從不同物理維度反映了同一個元件的結構完整性。這三項指標相互交織，各自代表了光訊號在通過元件時的不同行為（穿透、反射、退化）。單看一項指標容易產生盲點，而將三者結合，則能像「全面健檢」一樣，精準縮小異常範圍，協助工程師建立合理的查核方向。

同一顆元件在不同量測條件下，可能得到不同結果。要讓IL、RL與PDL可比較、可追溯，送測與報告至少應明確記錄下列資訊，尤其在晶圓級PIC測試中，若未固定耦合與對準條件，量到的變化可能同時混入元件差異與量測系統變異。這也是為什麼只看到單一dB數值，往往不足以支持製程判斷。

1. 待測元件與光路：輸入／輸出端口、光柵耦合(grating coupling)或邊緣耦合(edge coupling)、被測波導與功能元件。待測元件可能是PIC、FAU、CPO（Co-Packaged Optics，共同封裝光學）、Optical Transceiver， (光收發器,光模塊,光模組)等等。
2. 量測條件：波長範圍、掃描解析度、光功率、偏振態、溫度、光纖類型與量測方向。
3. 對準與重複性：是否重新對準、量測次數，以及晶圓位置、晶片批次與測點差異。
4. 比較基準：設計規格、golden sample、製程批次或可靠度測試前後的基準資料。
5. 是否有提供相對應的FAU(Fiber Array Unit, 光纖陣列單元)及接頭的規格，FAU的常用規格為：
   • pitch(光纖間距) 250um或127um。
   • channel(通道)數為8, 12, 16,24,32…等等。
   • 耦光(coupling)方式,邊緣耦光(edge coupling)或光柵耦光(grating coupling)。
   • 耦光角度，0度,8度, 10度….等。
   • 單邊進出光，或光的進出不同邊

當IL、RL或PDL出現異常時，較完整的PIC分析不應停在「數值超標」，可依問題逐步縮小範圍：

1. 確認量測定義：先釐清參考面、波長、偏振、溫度與校正方式，排除定義不一致。
2. 比對光譜與分布：透過O-O傳輸測試、波長掃描及不同溫度條件，確認異常是否具波長、溫度、晶圓位置或批次關聯。
3. 定位光損位置：利用近紅外光學影像（NIR Imaging）、全光譜相機、InGaAs、IR OM檢查光傳輸路徑中的局部漏光與異常衰減位置。
4. 追查結構與材料：再依定位結果使用3D x-ray、3D OM、C-AFM、SEM、FIB、TEM／STEM、SIMS或SCM等技術，觀察FAU、光纖或光波導(Wave guide, WG)側壁、材料介面、FAU/PIC介面、摻雜分布與微結構缺陷。

判讀主軸｜IL回答「損失多少」，RL回答「是否往回反射」，PDL回答「損耗是否依偏振而變」；NIR與後續材料分析才進一步回答「異常在哪裡、可能為什麼發生」。

IL、RL與PDL雖然都以dB表示，判讀方向與工程意義並不相同。IL著重前向傳輸的總功率衰減；RL評估返回輸入端的反射；PDL則衡量元件對輸入偏振態的敏感程度。將三者放在相同波長、溫度、參考面與耦合條件下比較，才能建立可用於設計驗證、製程監控與失效分析的量測資料。

閎康科技矽光子分析檢測平台可針對晶圓及晶片層級PIC、FAU、CPO（Co-Packaged Optics，共同封裝光學）、Optical Transceiver， (光收發器,光模塊,光模組)，提供O-O（Optical-to-Optical, 光進光出）光學傳輸測試、波長掃描、不同溫度條件下的元件特性分析，以及IL、PDL與RL量測；若發現光功率異常，亦可進一步結合NIR光損定位、OFA光學失效分析與材料分析技術，從量測數值逐步追查缺陷位置與製程根因。實際測試波段、樣品介面與條件，建議於送測前由技術窗口確認。

閎康科技矽光子分析檢測平台可針對晶圓及晶片層級PIC、FAU、CPO（Co-Packaged Optics，共同封裝光學）、Optical Transceiver， (光收發器,光模塊,光模組)，提供O-O（Optical-to-Optical, 光進光出）光學傳輸測試、波長掃描、不同溫度條件下的元件特性分析，以及IL、PDL與RL量測；若發現光功率異常，亦可進一步結合NIR光損定位、OFA光學失效分析與材料分析技術，從量測數值逐步追查缺陷位置與製程根因。實際測試波段、樣品介面與條件，建議於送測前由技術窗口確認。

延伸閱讀：矽光子分析測試服務｜PIC分析、IL量測與光損定位