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Die vorliegende Erfindung betrifft eine integriert-optische Vorrichtung mit einem Silizium-Wafer, auf dem eine Siliziumdioxid-Schicht angeordnet ist, und einem photonischen Element zur Leitung elektromagnetischer Wellen, das auf der Siliziumdioxid-Schicht angeordnet und von einem Mantel umgeben ist, und mit einem aktiven Element, das auf dem Mantel angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Derartige integriert-optische Vorrichtungen werden im Bereich der Silizium-Photonik verwendet.
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Es kann sich bei dem aktiven Element zum Beispiel um integrierte Laser und/oder integrierte elektronische Schaltkreise handeln. Diese aktiven Elemente bilden eine Wärmequelle. Die Herausforderung in derartigen integriert-optischen Vorrichtungen besteht dann darin, die von den aktiven Elementen generierte Wärme effizient, kostengünstig und in einer serientauglichen Art zu dissipieren. Die Temperatur der integriert-optischen Vorrichtung soll homogen gehalten und stabilisiert werden.
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Die photonischen Elemente werden auf dem Silizium-Wafer hergestellt. Dieser Silizium-Wafer weist eine Kombination aus Silizium und mindestens einer Siliziumdioxid-Schicht auf (sogenannter „Silicon-on-Insulator“ (SOI) Wafer). Das photonische Element wird dabei auf einer sehr dünnen Silizium-Schicht hergestellt, die mit Siliziumdioxid ummantelt ist. Silizium weist eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, und könnte mithin als Wärmesenke dienen. Allerdings ist der Silizium-Wafer unterhalb der Siliziumdioxid-Schicht angeordnet. Diese weist lediglich eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Daher ist das photonische Element, das auf der Siliziumdioxid-Schicht angeordnet ist, thermisch von dem Silizium-Wafer isoliert.
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Bei Integration des aktiven Elements (zum Beispiel Elektronik) kann erheblich viel Wärme entstehen. Nun hängen die Funktion des aktiven Elements sowie die Funktion des photonischen Elements von der Temperatur ab. Insoweit müssen Schwankungen der Temperatur in der integriert-optischen Vorrichtung minimiert werden. Der Grund hierfür ist im Detail folgender: Zum einen verschiebt sich der Schwellenstrom von dem aktiven Element mit der Temperatur; zum anderen führen Temperaturänderungen aufgrund des hohen thermo-optischen Koeffizienten von Silizium zu einer Änderung in der Brechungszahl des photonischen Elements. Dies kann je nach eingesetztem photonischen Element zu einer schlechteren Leistung des photonischen Elements führen. Das photonische Element weist Wellenleiter auf. Somit führt eine Änderung der Brechungszahl auch zu einer schlechteren Leitung innerhalb der Wellenleiter. Schließlich führt die Änderung der Brechungszahl nicht zuletzt zu einer unkontrollierten Verschiebung der Phase von Lichtwellen innerhalb von optischen Phasenverschiebern. Das Verhalten der integriert-optischen Vorrichtung kann nur noch schlecht oder gar nicht mehr kontrolliert werden. Die von dem aktiven Element erzeugte Wärme muss daher so effizient wie möglich dissipiert und aus der integriert-optischen Vorrichtung abgeführt werden.
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Es ist im Stand der Technik daher bekannt, die Wärmedissipation von der der Siliziumdioxid-Schicht abgewandten Seite des Silizium-Wafers durchzuführen. Dies erfolgt durch Anwendung von thermoelektrischen Generatoren (TEG). Die integriert-optische Vorrichtung wird dann oft auf Keramiksubstrate geklebt, da diese eine bessere Wärmeleitfähigkeit als konventionelle Leiterplatten aufweisen. Diese Keramiksubstrate werden dann mit den erwähnten thermoelektrischen Generatoren aktiv gekühlt oder beheizt. Hierdurch soll eine homogene und konstante Temperatur in der integriert-optischen Vorrichtung bereitgestellt werden. Um jedoch leistungseffiziente integriert-optische Vorrichtungen zu realisieren, ist es erwünscht, den Leistungsverbrauch der thermoelektrischen Generatoren zu reduzieren. Dazu muss Verlustwärme von dem aktiven Element passiv (ohne zusätzliche Leistungsaufnahme) dissipiert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine integriert-optische Vorrichtung zur Verfügung gestellt, welche mindestens eine erste Wärmebrücke und/oder mindestens einen ersten Wärmespreizer zur Dissipation einer Umgebungswärme aufweist, die thermisch leitend sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die integriert-optische Vorrichtung wird für die Integration von aktiven Elementen, die Wärme erzeugen (zum Beispiel elektronische integrierte Schaltkreise oder integrierte Laser in temperatursensitiven photonischen Systemen), mit Wärmespreizer und/oder Wärmebrücken ausgestattet. Der Wärmespreizer, sowie die Wärmebrücken, können dabei aus einem gut thermisch leitenden Metall gebildet sein. Wärmespreizer und/oder Wärmebrücken erlauben es, Umgebungswärme (Verlustwärme) effizient aus dem aktiven Element (welches hier eine Wärmequelle darstellt) zu dissipieren. Effiziente Wärmedissipation erlaubt es zum einen, den thermischen Widerstand, das heißt die Temperatur des aktiven Elements bei einer fixen Wärmeleistung, zu reduzieren. Zugleich ist es möglich, die Wärme um kritische Elemente, zum Beispiel das photonische Element herum zu leiten und so deren zuverlässige Funktion sicherzustellen.
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Einsatzfelder derartiger integriert-optischer Vorrichtungen sind optische und photonische Systeme, die hohe Anforderungen an Temperaturstabilität (oder an die Stabilität von temperaturabhängigen Parametern, wie zum Beispiel der Wellenlänge) haben, wie beispielsweise LIDAR-Sensoren und photonische Bio-Sensoren, die temperaturabhängige Komponenten verwenden.
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Auch ist es möglich, dass der erste Wärmespreizer zwischen dem Mantel und dem aktiven Element, vorzugsweise im Wesentlichen über dessen laterale Erstreckung, angeordnet ist.
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Der Wärmespreizer wird durch eine wärmeausbreitende Schicht bereitgestellt. Diese Schicht kann beispielsweise aus Metall gebildet sein. Um die von dem aktiven Element erzeugt Wärme optimal aufnehmen zu können, wird der Wärmespreizer unterhalb oder nahe dem aktiven Element (das ist die Wärmequelle) angeordnet. Dabei kann sich der Wärmespreizer über die gesamte laterale Erstreckung des aktiven Elements beziehungsweise des Mantels erstrecken. Die Oberfläche des Wärmespreizers zur Aufnahme von Abwärme des aktiven Elements wird erhöht; dessen Wirkungsgrad optimiert.
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Auch ist vorteilhaft, dass die erste Wärmebrücke in dem Mantel angeordnet ist und eine thermisch leitende Verbindung zwischen dem ersten Wärmespreizer und dem Silizium-Wafer bereitstellt.
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Somit wird eine thermische Verbindung zwischen dem aktiven Element (der Wärmequelle) und dem Silizium-Wafer bereitgestellt, der als Wärmesenke fungiert. Die thermisch leitende Verbindung wird wie folgt bereitgestellt: der Wärmespreizer nimmt die von dem aktiven Element erzeugt Wärme auf; die Wärmebrücke leitet die Wärme zwischen dem Wärmespreizer und dem Silizium-Wafer. Diese thermische Verbindung dient als bevorzugter Wärmepfad und hilft Verlustwärme des aktiven Elements in der thermisch isolierenden Siliziumdioxid-Schicht zu überbrücken. Somit kann die Verlustwärme von dem aktiven Element in erfindungsgemäßen silizium-basierten integriert-optischen Vorrichtungen effizient dissipiert werden. Die Wärmespreizer werden eingesetzt, um die Verlustwärme möglichst effizient zu den Wärmebrücken zu transportieren und somit die Höchsttemperatur in der integriert-optischen Vorrichtung zu reduzieren. Wärmebrücken (zum Beispiel aus einem Metall gebildet) werden dabei eingesetzt, um einen Pfad mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Wärmespreizer und dem Silizium-Wafer bereitzustellen, sodass ein bevorzugter Wärmepfad für die Dissipation der Verlustwärme entsteht. Da sowohl die Wärmespreizer als auch die Wärmebrücken während der Herstellung von integriert-optischen Vorrichtungen fabriziert werden können, ist keine Nachbearbeitung der integriert-optischen Vorrichtung notwendig. Die Herstellung ist kostengünstig und serientauglich möglich.
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Der Einsatz der beschriebenen thermischen Verbindung erlaubt es, den thermischen Widerstand um bis zu 50 % und mehr zu reduzieren. Zusätzlich reduziert die thermische Verbindung durch Umverteilung den Temperaturaufstieg in dem photonischen Element der integriert-optischen Vorrichtung (50 % Reduktion der lokalen Temperatur). Somit können mögliche Temperaturgradienten auf dem temperatursensitiven photonischen Bereich der integriert-optischen Vorrichtung minimiert werden.
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Dabei ist vorteilhaft, dass die thermisch leitende Verbindung mittels einer thermisch leitenden Kontaktierung zwischen der ersten Wärmebrücke und mindestens einem Kontaktelement des Silizium-Wafers, das vorzugsweise zwischen der Siliziumdioxid-Schicht und dem Mantel angeordnet ist, bereitgestellt ist.
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Es ist hier zusätzlich zu dem Silizium-Wafer noch ein Kontaktelement vorgesehen. Dieses wird vorzugsweise aus demselben Material gebildet sein, wie der Silizium-Wafer. Es fungiert mithin als effektive Wärmesenke. Die Verlustwärme des aktiven Elements wird von dem Wärmespreizer über die Wärmebrücke in das Kontaktelement geleitet. Es bildet sich ein bevorzugter Wärmepfad in der integriert-optischen Vorrichtung aus. Die Verlustwärme des aktiven Elements wird effizient abgeführt.
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Alternativ ist vorteilhaft, dass die thermisch leitende Verbindung mittels einer thermisch leitenden Kontaktierung zwischen der ersten Wärmebrücke und dem Silizium-Wafer bereitgestellt ist, vorzugsweise wobei sich die erste Wärmebrücke durch die Siliziumdioxid-Schicht hindurch bis zu dem Silizium-Wafer erstreckt. In diesem Fall wird die thermische Kontaktierung direkt mit dem Silizium-Wafer hergestellt (und nicht lediglich über die Kontaktelemente). Dabei existieren keine fundamentalen technischen Einschränkungen, die eine thermische Verbindung (vorzugsweise aus einem Metall gebildet) durch die Siliziumdioxid-Schicht verböten. Aufgrund der Größe des Silizium-Wafers relativ zu den anderen Elementen der integriert-optischen Vorrichtung wirkt dieser als sehr effektive Wärmesenke, die den thermischen Widerstand in hohem Maße reduzieren kann. Der thermische Widerstand der integriert-optischen Vorrichtung kann um bis zu 90 % reduziert werden.
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Sodann ist vorteilhaft, dass die integriert-optische Vorrichtung mindestens eine zweite Wärmebrücke aufweist, und wobei das photonische Element, vorzugsweise im Wesentlichen äquidistant, zwischen der ersten Wärmebrücke und der zweiten Wärmebrücke angeordnet ist.
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Die Effizienz der Wärmedissipation hängt auch von der Geometrie der thermischen Verbindung ab. Faktoren, die diese Effizienz beeinflussen sind unter anderem die Position und Größe der Wärmespreizer als auch die Breite der Wärmebrücken. Dabei ist dann der Abstand des photonischen Elements von den Wärmebrücken auch entscheidend für die Minimierung des Temperaturaufstiegs in dem photonischen Element. Daher wird das photonische Element vorzugsweise in einem maximalen (und/oder äquidistanten) Abstand von allen vorhandenen Wärmebrücken angeordnet sein. Die Wärmebrücken bilden den bevorzugten Pfad für die Leitung der Verlustwärme des aktiven Elements. Insoweit ist es vorteilhaft, das temperaturempfindliche photonische Element möglichst weit von diesem Wärmepfad zu positionieren.
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Auch ist vorteilhaft, dass die integriert-optische Vorrichtung mindestens einen zweiten Wärmespreizer aufweist, der zwischen dem ersten Wärmespreizer und der Siliziumdioxid-Schicht in dem Mantel angeordnet ist.
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Dieser zweite Wärmespreizer hilft zum einen bei der Verteilung der Wärme (wie der erste Wärmespreizer). Zum anderen wirkt er jedoch auch als eine Wärmeabschirmung für das photonische Element. In dieser Ausführungsform ist es ebenso möglich, die Anzahl der vorhandenen Wärmespreizer und assoziierten Wärmebrücken an die vorgegebene Geometrie (das ist deren Aufbau) der integriert-optischen Vorrichtung anzupassen. So können auch integriert-optische Vorrichtungen mit einem „komplizierten“ Aufbau durch ein hierauf abgestimmtes „Netz“ aus Wärmespreizern und assoziierten Wärmebrücken Verlustwärme von aktiven Elementen effizient dissipieren. Die Wärme kann gezielt aus der integriert-optischen Vorrichtung abgeführt werden.
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Schließlich ist vorteilhaft, dass der zweite Wärmespreizer mittels mindestens einer dritten Wärmebrücke thermisch leitend mit dem ersten Wärmespreizer verbunden ist.
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Es wird ein ununterbrochener bevorzugter Wärmepfad von dem ersten Wärmespreizer (nahe dem aktiven Element) über die dritte Wärmebrücke zu dem zweiten Wärmespreizer und über die erste (und/oder zweite) Wärmebrücke zu dem Kontaktelement und/oder dem Silizium-Wafer bereitgestellt. Das photonische Element ist zum einen außerhalb dieses bevorzugten Wärmepfads angeordnet. Zum anderen schirmt der zweite Wärmespreizer das photonische Element auch zusätzlich gegen die abgeleitete Verlustwärme ab.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform; und
- 3 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist eine integriert-optische Vorrichtung 1 gezeigt. Die integriert-optische Vorrichtung 1 weist einen Silizium-Wafer 2 auf. Auf dem Silizium-Wafer 2 ist eine Siliziumdioxid-Schicht 3 angeordnet. Ein photonisches Element 4 zur Leitung elektromagnetischer Wellen (zum Beispiel ein Silizium-Wellenleiter) ist auf der Siliziumdioxid-Schicht 3 angeordnet. Dieses photonische Element 4 ist von einem Mantel 5 (cladding) umgeben. In diesem Mantel 5 sind ebenso ein erstes Kontaktelement 6 und ein zweites Kontaktelement 7 angeordnet. Das erste Kontaktelement 6 und das zweite Kontaktelement 7 können dabei aus demselben Material gebildet sein wie der Silizium-Wafer 2. Oberhalb des ersten Kontaktelements 6 ist eine erste Wärmebrücke 8; oberhalb des zweiten Kontaktelements 7 ist eine zweite Wärmebrücke 9 angeordnet. Auf dem Mantel 5 verläuft in einer Anordnung senkrecht zu der ersten Wärmebrücke 8 und der zweiten Wärmebrücke 9 ein erster Wärmespreizer 10. Die laterale Erstreckung des ersten Wärmespreizers 10 ist dabei identisch zu der lateralen Erstreckung des Mantels 5. Sie ist ebenso identisch zu der lateralen Erstreckung eines aktiven Elements 11. Das aktive Element 11 stellt eine Wärmequelle dar (es ist zum Beispiel als ein integrierter Laser und/oder ein integrierter elektronischer Schaltkreis ausgebildet). Es ist benachbart dem ersten Wärmespreizer 10 angeordnet.
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Eine der größten Herausforderungen bei dem Aufbau einer integriert-optischen Vorrichtung 1 auf Siliziumbasis ist das thermische Management des Systems. Das aktive Element 11 erzeugt im Betrieb Wärme. Diese Wärme wird als Umgebungswärme zu einem Temperaturanstieg unter anderem in dem photonischen Element 4 führen. Die ordnungsgemäße Funktionsweise des photonischen Elements 4 jedoch hängt unter anderem von der Temperatur ab. Temperaturschwankungen und -anstiege sollten daher vermieden werden. Denn zum einen verschöbe sich hierdurch der Schwellenstrom des aktiven Elements 11. Zum anderen würden solche Temperaturänderungen aufgrund des im Allgemeinen hohen thermo-optischen Koeffizienten des photonischen Elements 4 (vor allem. wenn dieses auf Siliziumbasis ausgebildet ist) zu einer Änderung der Brechungszahl des photonischen Elements 4 führen. Je nach dem verwendeten photonischen Element 4 kann eine derartige Änderung der Brechungszahl zu einer schlechteren Leistung des photonischen Elements 4 führen. Die integriert-optische Vorrichtung 1 ist schlechter zu kontrollieren.
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Zwar könnte die durch das aktive Element 11 erzeugte Verlustwärme in dem eine Wärmesenke bereitstellenden Silizium-Wafer 2 dissipiert werden; allerdings ist der Silizium-Wafer 2 von dem aktiven Element 11 mittels der schlecht wärmeleitenden Siliziumdioxid-Schicht 3 thermisch isoliert. Die Verlustwärme kann schlecht von der Wärmequelle (aktives Element 4) zu der Wärmesenke (Silizium-Wafer 2) fließen. Die erfindungsgemäße integriert-optische Vorrichtung 1 stellt eine thermische Verbindung zwischen der Wärmequelle (aktives Element 4) und der Wärmesenke (Silizium-Wafer 2) bereit. Diese thermische Verbindung besteht in 1 aus einer Kombination des ersten Wärmespreizers 10 mit der ersten Wärmebrücke 8 und der zweiten Wärmebrücke 9. Aufgrund der guten thermischen Leiteigenschaften der bereitgestellten Verbindung entsteht ein bevorzugter Pfad für die Verlustwärme. Dieser kann die thermisch isolierende Siliziumdioxid-Schicht 3 überbrücken.
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Die von dem aktiven Element 11 als Wärmequelle verlorene Wärme wird über den ersten Wärmespreizer 10 verteilt und über seine Oberfläche aufgenommen. Sie wird dann über die erste Wärmebrücke 8 und die zweite Wärmebrücke 9 entsprechend zu dem ersten Kontaktelement 6 und dem zweiten Kontaktelement 7 geleitet. Diese fungieren als Wärmesenken. Der thermische Widerstand zwischen aktivem Element 11 und der Wärmesenke (hier: erstes Kontaktelement 6 und zweites Kontaktelement 7) wird reduziert.
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Diese thermische Verbindung erlaubt eine effiziente Abführung der Verlustwärme des aktiven Elements 11. Der thermische Widerstand kann um bis zu 50 % und mehr reduziert werden. Zusätzlich reduziert die thermische Verbindung durch Umverteilung den Temperaturaufstieg in dem photonischen Element 4 der integriert-optischen Vorrichtung 1 (50 % Reduktion der lokalen Temperatur). Somit werden auch mögliche Temperaturgradienten auf den temperatursensitiven Bereich des photonischen Elements 4 reduziert.
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Die Effizienz der Wärmedissipation hängt von der Geometrie der thermischen Verbindung ab, das heißt von der Position und Größe des ersten Wärmespreizers 10 sowie der ersten Wärmebrücke 8 und der zweiten Wärmebrücke 9. Der Abstand zwischen der ersten Wärmebrücke 8 beziehungsweise der zweiten Wärmebrücke 9 von dem photonischen Element 4 ist entscheidend für den Temperaturaufstieg in dem photonischen Element 4. Dieses ist daher in der vorliegenden Ausführungsform unter einem maximalen (äquidistanten) Abstand von der ersten Wärmebrücke 8 und der zweiten Wärmebrücke 9 angeordnet.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform der integriert-optischen Vorrichtung 1 dargestellt. Hier ist zusätzlich zu dem ersten Wärmespreizer 10 ein zweiter Wärmespreizer 12 in dem Mantel 5 angeordnet. Dieser ist über eine dritte Wärmebrücke 13 und eine vierte Wärmebrücke 14 mit dem ersten Wärmespreizer 10 thermisch verbunden.
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Die Funktionsweise dieser Ausführungsform ist grundsätzlich dieselbe wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Allerdings fungiert der zweite Wärmespreizer 12 hier zusätzlich als eine Wärmeabschirmung für das photonische Element 4. Eine derartige (oder ähnliche beziehungsweise entsprechende) Geometrie der thermischen Verbindung kann es hier erlauben, auch in einem „komplizierten“ Aufbau einer integriert-optischen Vorrichtung 1 eine effiziente und gezielte Wärmeabfuhr aus dieser bereitzustellen.
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In 3 ist schließlich eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen integriert-optischen Vorrichtung 1 dargestellt. Die Funktionsweise ist auch hier identisch mit derjenigen der 1 und 2. Allerdings sind in dieser Ausführungsform die erste Wärmebrücke 8 und die zweite Wärmebrücke 9 direkt mit dem Silizium-Wafer 2 thermisch kontaktiert. Sie durchragen (und überbrücken) zu diesem Zweck die Siliziumdioxid-Schicht 3. Aufgrund der Größe des Silizium-Wafers 2 relativ zu den anderen Elementen der integriert-optischen Vorrichtung 1 wirkt dieser als eine sehr effiziente Wärmesenke, sodass der thermische Widerstand in hohem Maße (bis zu 90 %) reduziert werden kann.
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Die erfindungsgemäße integriert-optische Vorrichtung 1 kann in optischen und photonischen Systemen (LIDAR-Sensoren und photonische Bio-Sensoren mit temperaturabhängigen Elementen) eingesetzt werden, die hohe Anforderungen an Temperaturstabilität (oder an die Stabilität von temperaturabhängigen Parametern, zum Beispiel die Wellenlänge) haben.
