Utvikling og anvendelse av termoelektrisk kjølemodul, TEC-modul, Peltier-kjøler innen optoelektronikk

Utvikling og anvendelse av termoelektrisk kjølemodul, TEC-modul, Peltier-kjøler innen optoelektronikk

Termoelektrisk kjøler, termoelektrisk modul, Peltier-modul (TEC) spiller en uunnværlig rolle innen optoelektroniske produkter med sine unike fordeler. Følgende er en analyse av dens brede bruk i optoelektroniske produkter:

I. Kjerneapplikasjonsfelt og virkningsmekanisme

1. Presis temperaturkontroll av laseren

• Viktige krav: Alle halvlederlasere (LDS), fiberlaserpumpekilder og faststofflaserkrystaller er ekstremt følsomme for temperatur. Temperaturendringer kan føre til:

• Bølgelengdedrift: Påvirker bølgelengdenøyaktigheten til kommunikasjon (som i DWDM-systemer) eller stabiliteten til materialbehandlingen.

• Variasjoner i utgangseffekt: Reduserer konsistensen av systemutgangen.

• Variasjon i terskelstrøm: Reduserer effektiviteten og øker strømforbruket.

• Forkortet levetid: Høye temperaturer akselererer aldringen av enheter.

• TEC-modul, termoelektrisk modulfunksjon: Gjennom et lukket temperaturkontrollsystem (temperatursensor + kontroller + TEC-modul, TE-kjøler) stabiliseres driftstemperaturen til laserbrikken eller -modulen på det optimale punktet (vanligvis 25 °C ± 0,1 °C eller enda høyere presisjon), noe som sikrer bølgelengdestabilitet, konstant effekt, maksimal effektivitet og forlenget levetid. Dette er den grunnleggende garantien for felt som optisk kommunikasjon, laserprosessering og medisinske lasere.

2. Kjøling av fotodetektorer/infrarøde detektorer

• Viktige krav:

• Reduser mørkestrøm: Infrarøde fokusplanarrayer (IRFPA) som fotodioder (spesielt InGaAs-detektorer brukt i nær-infrarød kommunikasjon), skredfotodioder (APD) og kvikksølvkadmiumtellurid (HgCdTe) har relativt store mørkestrømmer ved romtemperatur, noe som reduserer signal-til-støy-forholdet (SNR) og deteksjonsfølsomheten betydelig.

• Undertrykkelse av termisk støy: Den termiske støyen fra selve detektoren er hovedfaktoren som begrenser deteksjonsgrensen (som svake lyssignaler og avbildning på lang avstand).

• Termoelektrisk kjølemodul, Peltier-modul (peltier-element) funksjon: Kjøl ned detektorbrikken eller hele pakken til temperaturer under omgivelsene (som -40 °C eller enda lavere). Reduserer mørkstrøm og termisk støy betydelig, og forbedrer følsomheten, deteksjonshastigheten og bildekvaliteten til enheten betydelig. Dette er spesielt viktig for høytytende infrarøde termiske avbildere, nattsynsenheter, spektrometre og kvantekommunikasjonsdetektorer med enkeltfoton.

3. Temperaturkontroll av presisjonsoptiske systemer og komponenter

• Viktige krav: Nøkkelkomponentene på den optiske plattformen (som fiber-Bragg-gittere, filtre, interferometre, linsegrupper, CCD/CMOS-sensorer) er følsomme for termisk ekspansjon og brytningsindekstemperaturkoeffisienter. Temperaturendringer kan forårsake endringer i den optiske banelengden, brennviddeavvik og bølgelengdeforskyvning i midten av filteret, noe som kan føre til forringelse av systemytelsen (som uskarp avbildning, unøyaktig optisk bane og målefeil).

• TEC-modul, termoelektrisk kjølemodul Funksjon:

• Aktiv temperaturkontroll: Viktige optiske komponenter er installert på et substrat med høy termisk ledningsevne, og TEC-modulen (peltier-kjøler, peltier-enhet), en termoelektrisk enhet, kontrollerer temperaturen presist (opprettholder en konstant temperatur eller en spesifikk temperaturkurve).

• Temperaturhomogenisering: Eliminer temperaturforskjellsgradienten i utstyret eller mellom komponenter for å sikre systemets termiske stabilitet.

• Motvirke miljøsvingninger: Kompensere for virkningen av eksterne temperaturendringer i miljøet på den interne presisjonsoptiske banen. Den er mye brukt i høypresisjonsspektrometre, astronomiske teleskoper, fotolitografimaskiner, avanserte mikroskoper, optiske fibersensorsystemer, osv.

4. Ytelsesoptimalisering og levetidsforlengelse for LED-pærer

• Viktige krav: Høyeffekts-LED-er (spesielt for projeksjon, belysning og UV-herding) genererer betydelig varme under drift. En økning i temperaturen i koblingen vil føre til:

• Redusert lyseffektivitet: Den elektrooptiske konverteringseffektiviteten er redusert.

• Bølgelengdeforskyvning: Påvirker fargekonsistens (som RGB-projeksjon).

• Kraftig reduksjon i levetid: Temperaturen i overgangen er den viktigste faktoren som påvirker levetiden til LED-pærer (etter Arrhenius-modellen).

• TEC-moduler, termoelektriske kjølere, termoelektriske moduler Funksjon: For LED-applikasjoner med ekstremt høy effekt eller strenge temperaturkontrollkrav (som visse projeksjonslyskilder og lyskilder av vitenskapelig kvalitet), kan termoelektriske moduler, termoelektriske kjølemoduler, Peltier-enheter og Peltier-elementer gi kraftigere og mer presise aktive kjøleegenskaper enn tradisjonelle kjøleribber, og holde LED-krysstemperaturen innenfor et trygt og effektivt område, opprettholde høy lysstyrke, stabilt spektrum og ultralang levetid.

Ii. Detaljert forklaring av de uerstattelige fordelene med TEC-moduler, termoelektriske moduler og termoelektriske enheter (peltier-kjølere) i optoelektroniske applikasjoner

1. Presis temperaturkontrollkapasitet: Den kan oppnå stabil temperaturkontroll med ±0,01 °C eller enda høyere presisjon, og overgår dermed passive eller aktive varmeavledningsmetoder som luftkjøling og væskekjøling, og oppfyller de strenge temperaturkontrollkravene til optoelektroniske enheter.

2. Ingen bevegelige deler og intet kjølemiddel: Solid state-drift, ingen vibrasjonsforstyrrelser fra kompressor eller vifte, ingen risiko for lekkasje av kjølemiddel, ekstremt høy pålitelighet, vedlikeholdsfri, egnet for spesielle miljøer som vakuum og romfart.

3. Rask respons og reversibilitet: Ved å endre strømretningen kan kjøle-/oppvarmingsmodus byttes umiddelbart, med rask responshastighet (i millisekunder). Den er spesielt egnet for håndtering av forbigående termiske belastninger eller applikasjoner som krever presis temperatursykling (for eksempel enhetstesting).

4. Miniatyrisering og fleksibilitet: Kompakt struktur (tykkelse på millimeternivå), høy effekttetthet, og kan fleksibelt integreres i chip-, modul- eller systemnivåpakker, og tilpasses designet til ulike plassbegrensede optoelektroniske produkter.

5. Lokal presis temperaturkontroll: Den kan kjøle ned eller varme opp bestemte varmepunkter presist uten å kjøle ned hele systemet, noe som resulterer i et høyere energieffektivitetsforhold og en mer forenklet systemdesign.

III. Applikasjonseksempler og utviklingstrender

• Optiske moduler: Mikro-TEC-modul (mikrotermoelektrisk kjølemodul, termoelektrisk kjølemodul som kjøler DFB/EML-lasere) brukes ofte i 10G/25G/100G/400G og høyere hastighets pluggbare optiske moduler (SFP+, QSFP-DD, OSFP) for å sikre øyemønsterkvalitet og bitfeilrate under langdistanseoverføring.

• LiDAR: Kantemitterende eller VCSEL-laserlyskilder i LiDAR i bilindustrien og industrien krever TEC-moduler, termoelektriske kjølemoduler, termoelektriske kjølere og Peltier-moduler for å sikre pulsstabilitet og nøyaktighet i avstandsmålingen, spesielt i scenarier som krever deteksjon over lange avstander og med høy oppløsning.

• Infrarødt termokamera: Det avanserte, ukjølte mikroradiometer-fokalplanarrayet (UFPA) stabiliseres ved driftstemperaturen (vanligvis ~32 °C) gjennom ett eller flere termoelektriske kjølemodultrinn i TEC-modulen, noe som reduserer temperaturdriftsstøy; Kjølte mellombølge-/langbølge-infrarøde detektorer (MCT, InSb) krever dyp kjøling (-196 °C oppnås med Stirling-kjøleskap, men i miniatyriserte applikasjoner kan TEC-modulens termoelektriske modul og Peltier-modulen brukes til forkjøling eller sekundær temperaturkontroll).

• Biologisk fluorescensdeteksjon/Raman-spektrometer: Avkjøling av CCD/CMOS-kameraet eller fotomultiplikatorrøret (PMT) forbedrer deteksjonsgrensen og bildekvaliteten til svake fluorescens-/Raman-signaler betraktelig.

• Kvanteoptiske eksperimenter: Sørg for et lavtemperaturmiljø for enkeltfotondetektorer (som superledende nanotråd-SNSPD, som krever ekstremt lave temperaturer, men Si/InGaAs APD kjøles vanligvis av TEC-moduler, termoelektriske kjølemoduler, termoelektriske moduler, TE-kjølere) og visse kvantelyskilder.

• Utviklingstrend: Forskning og utvikling av termoelektrisk kjølemodul, termoelektrisk enhet, TEC-modul med høyere effektivitet (økt ZT-verdi), lavere kostnader, mindre størrelse og sterkere kjølekapasitet; Tettere integrert med avanserte pakketeknologier (som 3D IC, Co-Packaged Optics); Intelligente temperaturkontrollalgoritmer optimaliserer energieffektiviteten.

Termoelektriske kjølemoduler, termoelektriske kjølere, termoelektriske moduler, peltier-elementer og peltier-enheter har blitt de viktigste termiske styringskomponentene i moderne høyytelses optoelektroniske produkter. Den presise temperaturkontrollen, solid-state-påliteligheten, den raske responsen og den lille størrelsen og fleksibiliteten håndterer effektivt viktige utfordringer som stabiliteten til laserbølgelengder, forbedring av detektorfølsomhet, undertrykkelse av termisk drift i optiske systemer og opprettholdelse av LED-ytelse med høy effekt. Etter hvert som optoelektronisk teknologi utvikler seg mot høyere ytelse, mindre størrelse og bredere anvendelse, vil TECmodule, peltier-kjøler, peltier-modul fortsette å spille en uerstattelig rolle, og teknologien i seg selv er også i stadig utvikling for å møte stadig mer krevende krav.