Termoelektrilise jahutusmooduli, TEC-mooduli ja Peltier-jahuti väljatöötamine ja rakendamine optoelektroonika valdkonnas

Termoelektrilise jahutusmooduli, TEC-mooduli ja Peltier-jahuti väljatöötamine ja rakendamine optoelektroonika valdkonnas

Termoelektriline jahuti, termoelektriline moodul, Peltier' moodul (TEC) mängib optoelektroonikatoodete valdkonnas asendamatut rolli oma ainulaadsete eeliste tõttu. Järgnevalt on analüüsitud selle laialdast kasutamist optoelektroonikatoodetes:

I. Peamised rakendusvaldkonnad ja toimemehhanism

1. Laseri täpne temperatuuri reguleerimine

• Põhinõuded: Kõik pooljuhtlaserid (LDS), kiudlaser-pumpallikad ja tahkislaserkristallid on temperatuuri suhtes äärmiselt tundlikud. Temperatuurimuutused võivad põhjustada:

• Lainepikkuse triiv: mõjutab side lainepikkuse täpsust (näiteks DWDM-süsteemides) või materjali töötlemise stabiilsust.

• Väljundvõimsuse kõikumine: vähendab süsteemi väljundvõimsuse järjepidevust.

• Lävivoolu kõikumine: vähendab efektiivsust ja suurendab energiatarbimist.

• Lühenenud eluiga: kõrge temperatuur kiirendab seadmete vananemist.

• TEC-moodul, termoelektrilise mooduli funktsioon: Suletud ahelaga temperatuuri juhtimissüsteemi (temperatuuriandur + kontroller + TEC-moodul, TE-jahuti) abil stabiliseeritakse laserkiibi või -mooduli töötemperatuur optimaalses punktis (tavaliselt 25 °C ± 0,1 °C või isegi suurem täpsus), tagades lainepikkuse stabiilsuse, konstantse väljundvõimsuse, maksimaalse efektiivsuse ja pikema eluea. See on oluline garantii sellistes valdkondades nagu optiline side, lasertöötlus ja meditsiinilised laserid.

2. Fotodetektorite/infrapunadetektorite jahutamine

• Peamised nõuded:

• Vähendage tumevoolu: infrapunase fokaaltasandi massiividel (IRFPA), näiteks fotodioodidel (eriti lähiinfrapunasides kasutatavatel InGaAs-detektoritel), laviinfotodioodidel (APD) ja elavhõbeda-kaadmiumtelluriidil (HgCdTe), on toatemperatuuril suhteliselt suured tumevoolud, mis vähendavad oluliselt signaali-müra suhet (SNR) ja detekteerimise tundlikkust.

• Termomüra summutamine: Detektori enda termiline müra on peamine avastamispiiri piirav tegur (näiteks nõrgad valgussignaalid ja kaugpildistamine).

• Termoelektrilise jahutusmooduli, Peltier' mooduli (Peltier' elemendi) funktsioon: jahutab detektorikiipi või kogu pakendit ümbritsevast temperatuurist madalamale temperatuurile (näiteks -40 °C või isegi madalamale). Vähendab oluliselt tumevoolu ja termilist müra ning parandab oluliselt seadme tundlikkust, tuvastuskiirust ja pildikvaliteeti. See on eriti oluline suure jõudlusega infrapuna-termokaamerate, öönägemisseadmete, spektromeetrite ja kvantkommunikatsiooni ühefootonidetektorite puhul.

3. Täppisoptiliste süsteemide ja komponentide temperatuuri reguleerimine

• Põhinõuded: Optilise platvormi põhikomponendid (näiteks kiud-Bragg'i võred, filtrid, interferomeetrid, läätsegrupid, CCD/CMOS-andurid) on tundlikud soojuspaisumise ja murdumisnäitaja temperatuurikoefitsientide suhtes. Temperatuurimuutused võivad põhjustada muutusi optilise tee pikkuses, fookuskauguse triivis ja lainepikkuse nihkes filtri keskel, mis omakorda halvendab süsteemi jõudlust (näiteks hägune kujutis, ebatäpne optiline tee ja mõõtmisvead).

• TEC moodul, termoelektriline jahutusmoodul Funktsioon:

• Aktiivne temperatuuri reguleerimine: Peamised optilised komponendid on paigaldatud suure soojusjuhtivusega aluspinnale ja TEC-moodul (Peltieri jahuti, Peltieri seade), termoelektriline seade, kontrollib temperatuuri täpselt (säilitades konstantse temperatuuri või kindla temperatuurikõvera).

• Temperatuuri homogeniseerimine: süsteemi termilise stabiilsuse tagamiseks kõrvaldage temperatuuride erinevuse gradient seadme sees või komponentide vahel.

• Keskkonnakõikumiste kompenseerimine: kompenseerib välise keskkonnatemperatuuri muutuste mõju sisemisele täppisoptilisele teele. Seda kasutatakse laialdaselt ülitäpsete spektromeetrite, astronoomiliste teleskoopide, fotolitograafiaseadmete, tipptasemel mikroskoopide, kiudoptiliste andurite süsteemide jms puhul.

4. LED-ide jõudluse optimeerimine ja eluea pikendamine

• Põhinõuded: Suure võimsusega LED-id (eriti projektsiooniks, valgustuseks ja UV-kõvendamiseks) tekitavad töötamise ajal märkimisväärset soojust. Ühenduspunkti temperatuuri tõus põhjustab:

• Valgusviljakuse vähenemine: elektrooptilise muundamise efektiivsus väheneb.

• Lainepikkuse nihe: mõjutab värvide järjepidevust (näiteks RGB-projektsioon).

• Eluea järsk lühenemine: üleminekutemperatuur on LED-ide eluiga mõjutavaim tegur (Arrheniuse mudeli kohaselt).

• TEC-moodulid, termoelektrilised jahutid, termoelektrilised moodulid Funktsioon: Äärmiselt suure võimsuse või rangete temperatuuri reguleerimise nõuetega LED-rakenduste (nt teatud projektsioonvalgusallikad ja teadusliku kvaliteediga valgusallikad) jaoks pakuvad termoelektriline moodul, termoelektriline jahutusmoodul, Peltier-seade ja Peltier-element võimsamaid ja täpsemaid aktiivjahutusvõimalusi kui traditsioonilised jahutusradiaatorid, hoides LED-ühenduste temperatuuri ohutus ja tõhusas vahemikus, säilitades suure heleduse, stabiilse spektri ja ülipika eluea.

Ii. TEC-moodulite ja termoelektriliste moodulite ning termoelektriliste seadmete (Peltieri jahutite) asendamatute eeliste üksikasjalik selgitus optoelektroonika rakendustes.

1. Täpne temperatuuri reguleerimise võime: see suudab saavutada stabiilse temperatuuri reguleerimise ±0,01 °C või isegi suurema täpsusega, ületades kaugelt passiivseid või aktiivseid soojuse hajutamise meetodeid, nagu õhkjahutus ja vedelikjahutus, ning vastates optoelektroonikaseadmete rangetele temperatuuri reguleerimise nõuetele.

2. Liikuvaid osi ja külmaainet pole: Tahkisolekul töötamine, kompressori või ventilaatori vibratsiooni häired puuduvad, külmaaine lekke oht puudub, äärmiselt kõrge töökindlus, hooldusvaba, sobib spetsiaalsetesse keskkondadesse, näiteks vaakumisse ja kosmosesse.

3. Kiire reageerimine ja pöörduvus: voolu suuna muutmisega saab jahutus-/kütterežiimi koheselt ja kiirelt (millisekundites) vahetada. See sobib eriti hästi mööduvate termiliste koormuste või rakenduste jaoks, mis nõuavad täpset temperatuuri tsüklit (näiteks seadmete testimine).

4. Miniaturiseerimine ja paindlikkus: kompaktne struktuur (millimeetri paksus), suur võimsustihedus ja paindlik integreerimine kiibi-, mooduli- või süsteemitaseme pakendisse, kohandudes erinevate ruumipiiranguga optoelektrooniliste toodete disainiga.

5. Kohalik täpne temperatuuri reguleerimine: see suudab täpselt jahutada või soojendada teatud kuumpunkte ilma kogu süsteemi jahutamata, mille tulemuseks on kõrgem energiatõhususe suhe ja lihtsam süsteemi disain.

III. Rakendusjuhtumid ja arengusuunad

• Optilised moodulid: Micro TEC moodul (mikro termoelektriline jahutusmoodul, termoelektriline jahutusmoodul, DFB/EML lasereid kasutatakse tavaliselt 10G/25G/100G/400G ja suurema kiirusega pluble optilistes moodulites (SFP+, QSFP-DD, OSFP), et tagada silmamustri kvaliteet ja bitivea määr pikamaaülekande ajal.

• LiDAR: Autotööstuses ja tööstuses kasutatavate LiDAR-i servakiirgusega ehk VCSEL-laservalgusallikate puhul on impulsi stabiilsuse ja kauguse mõõtmise täpsuse tagamiseks vaja TEC-mooduleid, termoelektrilisi jahutusmooduleid, termoelektrilisi jahuteid ja Peltier-mooduleid, eriti olukordades, mis nõuavad pikkade vahemaade ja suure eraldusvõimega tuvastamist.

• Infrapuna-termokaamera: Tipptasemel jahutamata mikroradiomeetri fokaaltasandiline massiiv (UFPA) stabiliseeritakse töötemperatuuril (tavaliselt ~32 °C) ühe või mitme TEC-mooduli termoelektrilise jahutusmooduli astme abil, vähendades temperatuuri triivi müra; Jahutatud keskmise/pikalainelise infrapuna detektorid (MCT, InSb) vajavad sügavat jahutamist (-196 °C saavutatakse Stirlingi külmikutega, kuid miniatuursetes rakendustes saab eeljahutuseks või sekundaarseks temperatuuri reguleerimiseks kasutada TEC-mooduli termoelektrilist moodulit või Peltier' moodulit).

• Bioloogilise fluorestsentsi detekteerimine/Ramani spektromeeter: CCD/CMOS-kaamera või fotokordisti (PMT) jahutamine parandab oluliselt nõrkade fluorestsents-/Ramani signaalide avastamispiiri ja pildikvaliteeti.

• Kvantoptilised katsed: Pakkuda madalatemperatuurset keskkonda üksikfootonilistele detektoritele (näiteks ülijuhtivale nanotraadist SNSPD-le, mis nõuab äärmiselt madalaid temperatuure, kuid Si/InGaAs APD-d jahutatakse tavaliselt TEC-mooduli, termoelektrilise jahutusmooduli, termoelektrilise mooduli, TE-jahuti abil) ja teatud kvantvalgusallikatele.

• Arengusuund: Termoelektrilise jahutusmooduli, termoelektrilise seadme, TEC-mooduli uurimine ja arendamine, millel on suurem efektiivsus (suurem ZT väärtus), madalam hind, väiksem suurus ja tugevam jahutusvõimsus; Tihedam integreerimine täiustatud pakenditehnoloogiatega (nt 3D IC, kaaspakitud optika); Intelligentsed temperatuuri juhtimise algoritmid optimeerivad energiatõhusust.

Termoelektrilised jahutusmoodulid, termoelektrilised jahutid, termoelektrilised moodulid, Peltier-elemendid ja Peltier-seadmed on saanud tänapäevaste suure jõudlusega optoelektroonikatoodete põhilisteks soojushalduse komponentideks. Nende täpne temperatuuri reguleerimine, tahkis-töökindlus, kiire reageerimine ning väiksus ja paindlikkus lahendavad tõhusalt peamised väljakutsed, nagu laserlainepikkuste stabiilsus, detektori tundlikkuse parandamine, optiliste süsteemide termilise triivi summutamine ja suure võimsusega LED-ide jõudluse säilitamine. Kuna optoelektroonika tehnoloogia areneb suurema jõudluse, väiksema suuruse ja laiema rakenduse suunas, mängib TECmoodul, Peltier-jahuti, Peltier-moodul jätkuvalt asendamatut rolli ning ka selle tehnoloogia ise on pidevalt uuenduslik, et rahuldada üha nõudlikumaid nõudeid.