Udvikling og anvendelse af termoelektriske kølemoduler, TEC-moduler og Peltier-kølere inden for optoelektronik

Udvikling og anvendelse af termoelektriske kølemoduler, TEC-moduler og Peltier-kølere inden for optoelektronik

Termoelektrisk køler, termoelektrisk modul, Peltier-modul (TEC) spiller en uundværlig rolle inden for optoelektroniske produkter med sine unikke fordele. Følgende er en analyse af dens brede anvendelse i optoelektroniske produkter:

I. Kerneanvendelsesområder og virkningsmekanisme

1. Præcis temperaturkontrol af laseren

• Vigtige krav: Alle halvlederlasere (LDS), fiberlaserpumpekilder og faststoflaserkrystaller er ekstremt følsomme over for temperatur. Temperaturændringer kan føre til:

• Bølgelængdedrift: Påvirker bølgelængdenøjagtigheden af ​​kommunikationen (som f.eks. i DWDM-systemer) eller stabiliteten af ​​materialebehandlingen.

• Udsving i udgangseffekt: Reducerer ensartetheden af ​​systemets output.

• Variation i tærskelstrøm: Reducerer effektiviteten og øger strømforbruget.

• Forkortet levetid: Høje temperaturer fremskynder ældningen af ​​enheder.

• TEC-modul, termoelektrisk modulfunktion: Gennem et lukket temperaturstyringssystem (temperatursensor + controller + TEC-modul, TE-køler) stabiliseres driftstemperaturen for laserchippen eller -modulet på det optimale punkt (typisk 25 °C ± 0,1 °C eller endnu højere præcision), hvilket sikrer bølgelængdestabilitet, konstant effekt, maksimal effektivitet og forlænget levetid. Dette er den grundlæggende garanti for områder som optisk kommunikation, laserbehandling og medicinske lasere.

2. Køling af fotodetektorer/infrarøde detektorer

• Vigtigste krav:

• Reducer mørkestrøm: Infrarøde fokalplanarrays (IRFPA) såsom fotodioder (især InGaAs-detektorer, der anvendes i nær-infrarød kommunikation), lavinefotodioder (APD) og kviksølv-cadmium-tellurid (HgCdTe) har relativt store mørkestrømme ved stuetemperatur, hvilket reducerer signal-støj-forholdet (SNR) og detektionsfølsomheden betydeligt.

• Undertrykkelse af termisk støj: Selve detektorens termiske støj er den primære faktor, der begrænser detektionsgrænsen (såsom svage lyssignaler og billeddannelse på lang afstand).

• Termoelektrisk kølemodul, Peltier-modul (peltier-element) funktion: Afkøl detektorchippen eller hele pakken til temperaturer under omgivelsestemperaturer (f.eks. -40 °C eller endnu lavere). Reducerer mørkstrøm og termisk støj betydeligt og forbedrer enhedens følsomhed, detektionshastighed og billedkvalitet betydeligt. Det er især vigtigt for højtydende infrarøde termiske kameraer, nattesynsenheder, spektrometre og kvantekommunikations-enkeltfotondetektorer.

3. Temperaturkontrol af præcisionsoptiske systemer og komponenter

• Nøglekrav: Nøglekomponenterne på den optiske platform (såsom fiber Bragg-gitre, filtre, interferometre, linsegrupper, CCD/CMOS-sensorer) er følsomme over for termisk udvidelse og brydningsindekstemperaturkoefficienter. Temperaturændringer kan forårsage ændringer i den optiske vejlængde, brændviddedrift og bølgelængdeforskydning i midten af ​​filteret, hvilket fører til forringelse af systemets ydeevne (såsom sløret billeddannelse, unøjagtig optisk vej og målefejl).

• TEC-modul, termoelektrisk kølemodul Funktion:

• Aktiv temperaturkontrol: Vigtige optiske komponenter er installeret på et substrat med høj termisk ledningsevne, og TEC-modulet (peltier-køler, peltier-enhed), den termoelektriske enhed, styrer præcist temperaturen (opretholder en konstant temperatur eller en specifik temperaturkurve).

• Temperaturhomogenisering: Eliminer temperaturforskellen i udstyret eller mellem komponenter for at sikre systemets termiske stabilitet.

• Modvirk miljøudsving: Kompenserer for påvirkningen af ​​eksterne miljøtemperaturændringer på den interne præcisionsoptiske bane. Det anvendes i vid udstrækning i højpræcisionsspektrometre, astronomiske teleskoper, fotolitografimaskiner, avancerede mikroskoper, optiske fibersensorsystemer osv.

4. Ydelsesoptimering og levetidsforlængelse for LED'er

• Vigtige krav: Højtydende LED'er (især til projektion, belysning og UV-hærdning) genererer betydelig varme under drift. En stigning i temperaturen i forbindelse med samlingen vil føre til:

• Nedsat lysudbytte: Den elektrooptiske konverteringseffektivitet er reduceret.

• Bølgelængdeforskydning: Påvirker farvekonsistens (f.eks. RGB-projektion).

• Kraftig reduktion i levetid: Samlingstemperaturen er den mest betydningsfulde faktor, der påvirker LED'ers levetid (ifølge Arrhenius-modellen).

• TEC-moduler, termoelektriske kølere, termoelektriske moduler Funktion: Til LED-applikationer med ekstremt høj effekt eller strenge temperaturkontrolkrav (såsom visse projektionslyskilder og lyskilder af videnskabelig kvalitet) kan termoelektriske moduler, termoelektriske kølemoduler, Peltier-enheder og Peltier-elementer give mere kraftfulde og præcise aktive kølefunktioner end traditionelle køleplader, holde LED-forbindelsestemperaturen inden for et sikkert og effektivt område, opretholde høj lysstyrke, stabilt spektrum og ultralang levetid.

Ii. Detaljeret forklaring af de uerstattelige fordele ved TEC-moduler, termoelektriske moduler, termoelektriske enheder (peltier-kølere) i optoelektroniske applikationer

1. Præcis temperaturkontrol: Den kan opnå stabil temperaturkontrol med ±0,01°C eller endda højere præcision, hvilket langt overgår passive eller aktive varmeafledningsmetoder såsom luftkøling og væskekøling og opfylder de strenge temperaturkontrolkrav for optoelektroniske enheder.

2. Ingen bevægelige dele og intet kølemiddel: Solid state-drift, ingen vibrationsforstyrrelser fra kompressor eller ventilator, ingen risiko for lækage af kølemiddel, ekstremt høj pålidelighed, vedligeholdelsesfri, egnet til særlige miljøer såsom vakuum og rumfart.

3. Hurtig respons og reversibilitet: Ved at ændre strømretningen kan køle-/varmetilstanden skiftes øjeblikkeligt med en hurtig responshastighed (i millisekunder). Den er især velegnet til håndtering af forbigående termiske belastninger eller applikationer, der kræver præcis temperaturcykling (f.eks. enhedstest).

4. Miniaturisering og fleksibilitet: Kompakt struktur (tykkelse på millimeterniveau), høj effekttæthed og kan fleksibelt integreres i chip-, modul- eller systemniveau-pakning og tilpasses designet af forskellige pladsbegrænsede optoelektroniske produkter.

5. Lokal præcis temperaturstyring: Den kan præcist køle eller opvarme specifikke hotspots uden at køle hele systemet, hvilket resulterer i en højere energieffektivitetsgrad og et mere forenklet systemdesign.

III. Applikationssager og udviklingstendenser

• Optiske moduler: Mikro-TEC-modul (mikrotermoelektrisk kølemodul, termoelektrisk kølemodul, DFB/EML-lasere) bruges almindeligvis i 10G/25G/100G/400G og højere hastigheds-pluggable optiske moduler (SFP+, QSFP-DD, OSFP) for at sikre øjemønsterkvalitet og bitfejlrate under langdistancetransmission.

• LiDAR: Kantemitterende eller VCSEL-laserlyskilder i LiDAR til biler og industri kræver TEC-moduler, termoelektriske kølemoduler, termoelektriske kølere og Peltier-moduler for at sikre pulsstabilitet og nøjagtighed i afstande, især i scenarier, der kræver detektion over lange afstande og med høj opløsning.

• Infrarød termografikamera: Det avancerede, ukølede mikroradiometer-fokalplanarray (UFPA) stabiliseres ved driftstemperaturen (typisk ~32 °C) gennem et eller flere termoelektriske kølemodultrin i et TEC-modul, hvilket reducerer temperaturdriftsstøj; Kølede mellembølge-/langbølge-infrarøde detektorer (MCT, InSb) kræver dyb køling (-196 °C opnås med Stirling-køleskabe, men i miniaturiserede applikationer kan TEC-modulets termoelektriske modul og Peltier-modulet bruges til forkøling eller sekundær temperaturregulering).

• Biologisk fluorescensdetektion/Raman-spektrometer: Afkøling af CCD/CMOS-kameraet eller fotomultiplikatorrøret (PMT) forbedrer detektionsgrænsen og billedkvaliteten af ​​svage fluorescens-/Raman-signaler betydeligt.

• Kvanteoptiske eksperimenter: Sørg for et lavtemperaturmiljø for enkeltfotondetektorer (såsom superledende nanotråds-SNSPD, som kræver ekstremt lave temperaturer, men Si/InGaAs APD køles almindeligvis af TEC-moduler, termoelektriske kølemoduler, termoelektriske moduler, TE-kølere) og visse kvantelyskilder.

• Udviklingstendens: Forskning og udvikling af termoelektriske kølemoduler, termoelektriske enheder, TEC-moduler med højere effektivitet (øget ZT-værdi), lavere omkostninger, mindre størrelse og stærkere kølekapacitet; Tættere integreret med avancerede pakningsteknologier (såsom 3D IC, Co-Packaged Optics); Intelligente temperaturstyringsalgoritmer optimerer energieffektiviteten.

Termoelektriske kølemoduler, termoelektriske kølere, termoelektriske moduler, Peltier-elementer og Peltier-enheder er blevet de centrale termiske styringskomponenter i moderne højtydende optoelektroniske produkter. Dens præcise temperaturkontrol, solid-state-pålidelighed, hurtige respons samt lille størrelse og fleksibilitet imødekommer effektivt centrale udfordringer såsom stabiliteten af ​​laserbølgelængder, forbedring af detektorfølsomhed, undertrykkelse af termisk drift i optiske systemer og opretholdelse af højtydende LED-ydeevne. Efterhånden som optoelektronisk teknologi udvikler sig mod højere ydeevne, mindre størrelse og bredere anvendelse, vil TECmodule, Peltier-køler, Peltier-modul fortsat spille en uerstattelig rolle, og selve teknologien innoverer også konstant for at imødekomme stadig mere krævende krav.