A Comparison of Total-Ionizing-Dose Effects in Silicon and Silicon-Nitride Waveguides

电离辐射 材料科学 氮化硅 光电子学 吸收剂量 机车 光学 物理 辐照 辐射 核物理学
作者
Brett L. Ringel,Jeffrey W. Teng,Mozhgan Hosseinzadeh,Delwyn G. Sam,Peter J. Francis,Hari Parameswaran,Arielle Little,George N. Tzintzarov,Daniele M. Monahan,Stephen LaLumondiere,John D. Cressler
出处
期刊:IEEE Transactions on Nuclear Science [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (8): 1798-1806 被引量:3
标识
DOI:10.1109/tns.2024.3415502
摘要

The total-ionizing-dose (TID) responses of silicon and low-loss silicon-nitride (SiN) integrated waveguides are evaluated. Mach-Zehnder interferometers (MZIs), which allow for both TID-induced changes in effective refractive index ( $n_{\mathrm { eff}}$ ) and transmission losses to be observed, were exposed to 10-keV highly localized X-ray pulses facilitating very high dose irradiation for small exposure areas. TID-induced shifts in $n_{\mathrm { eff}}$ and transmission losses were observed for both waveguide types above 3 Mrad(Si), with the silicon waveguides exhibiting better radiation resilience for both metrics. Data collected were used to create Ansys Lumerical simulations to propose potential mechanisms of TID-induced degradation in waveguides. Furthermore, to better understand the effects of $n_{\mathrm { eff}}$ degradation on other passive components, both silicon and SiN TID-damaged ring resonators were simulated in MATLAB. Differences in $n_{\mathrm { eff}}$ changes and transmission losses imply that for high dose environments (>10 Mrad(Si)), when comparing waveguide types, silicon waveguides will provide similar loss performance and comparably smaller shifts in $n_{\mathrm { eff}}$ compared to typically lower-loss SiN waveguides.
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