Utveckling och tillämpning av termoelektriska kylmoduler, TEC-moduler och Peltier-kylare inom optoelektronik

Utveckling och tillämpning av termoelektriska kylmoduler, TEC-moduler och Peltier-kylare inom optoelektronik

Termoelektrisk kylare, termoelektrisk modul, peltiermodul (TEC) spelar en oumbärlig roll inom optoelektroniska produkter med sina unika fördelar. Följande är en analys av dess breda tillämpning inom optoelektroniska produkter:

I. Kärnanvändningsområden och verkningsmekanism

1. Exakt temperaturkontroll av lasern

• Viktiga krav: Alla halvledarlasrar (LDS), fiberlaserpumpkällor och fastfaslaserkristaller är extremt temperaturkänsliga. Temperaturförändringar kan leda till:

• Våglängdsdrift: Påverkar våglängdsnoggrannheten för kommunikation (t.ex. i DWDM-system) eller stabiliteten i materialbearbetningen.

• Fluktuationer i uteffekt: Minskar systemets uteffekt.

• Variation i tröskelström: Minskar verkningsgraden och ökar strömförbrukningen.

• Förkortad livslängd: Höga temperaturer påskyndar åldringen av enheter.

• TEC-modul, termoelektrisk modulfunktion: Genom ett slutet temperaturkontrollsystem (temperatursensor + styrenhet + TEC-modul, TE-kylare) stabiliseras driftstemperaturen för laserchipet eller modulen vid den optimala punkten (vanligtvis 25 °C ± 0,1 °C eller ännu högre precision), vilket säkerställer våglängdsstabilitet, konstant uteffekt, maximal effektivitet och förlängd livslängd. Detta är den grundläggande garantin för områden som optisk kommunikation, laserbearbetning och medicinska lasrar.

2. Kylning av fotodetektorer/infraröda detektorer

• Viktiga krav:

• Minska mörkströmmen: Infraröda fokalplanmatriser (IRFPA) såsom fotodioder (särskilt InGaAs-detektorer som används i nära-infraröd kommunikation), lavinfotodioder (APD) och kvicksilver-kadmiumtellurid (HgCdTe) har relativt stora mörkströmmar vid rumstemperatur, vilket avsevärt minskar signal-brusförhållandet (SNR) och detektionskänsligheten.

• Dämpning av termiskt brus: Detektorns termiska brus är den viktigaste faktorn som begränsar detektionsgränsen (såsom svaga ljussignaler och avbildning på långa avstånd).

• Termoelektrisk kylmodul, Peltier-modulens (peltier-element) funktion: Kyl detektorchipet eller hela paketet till temperaturer under omgivningen (t.ex. -40 °C eller ännu lägre). Minska mörkström och termiskt brus avsevärt, och förbättra enhetens känslighet, detektionshastighet och bildkvalitet avsevärt. Detta är särskilt viktigt för högpresterande infraröda värmekameror, mörkerseendeenheter, spektrometrar och kvantkommunikationsdetektorer med en enda foton.

3. Temperaturkontroll av precisionsoptiska system och komponenter

• Viktiga krav: De viktigaste komponenterna på den optiska plattformen (såsom fiber-Bragg-gitter, filter, interferometrar, linsgrupper, CCD/CMOS-sensorer) är känsliga för termisk expansion och brytningsindextemperaturkoefficienter. Temperaturförändringar kan orsaka förändringar i den optiska väglängden, brännviddsdrift och våglängdsförskjutning i filtrets centrum, vilket leder till försämrad systemprestanda (såsom suddig bildåtergivning, felaktig optisk väg och mätfel).

• TEC-modul, termoelektrisk kylmodul Funktion:

• Aktiv temperaturkontroll: Viktiga optiska komponenter är installerade på ett substrat med hög värmeledningsförmåga, och TEC-modulen (peltierkylare, peltier-enhet), termoelektrisk enhet, styr temperaturen exakt (och bibehåller en konstant temperatur eller en specifik temperaturkurva).

• Temperaturhomogenisering: Eliminera temperaturskillnaden i utrustningen eller mellan komponenter för att säkerställa systemets termiska stabilitet.

• Motverka miljöfluktuationer: Kompensera för effekten av externa temperaturförändringar i omgivningen på den interna precisionsoptiska vägen. Den används ofta i högprecisionsspektrometrar, astronomiska teleskop, fotolitografimaskiner, avancerade mikroskop, optiska fibersensorsystem etc.

4. Prestandaoptimering och förlängning av livslängden för lysdioder

• Viktiga krav: Högpresterande lysdioder (särskilt för projektion, belysning och UV-härdning) genererar avsevärd värme under drift. En ökning av kopplingstemperaturen leder till:

• Minskad ljuseffektivitet: Den elektrooptiska omvandlingseffektiviteten minskar.

• Våglängdsförskjutning: Påverkar färgkonsistensen (t.ex. RGB-projektion).

• Kraftig minskning av livslängden: Övergångstemperaturen är den viktigaste faktorn som påverkar lysdiodernas livslängd (enligt Arrhenius-modellen).

• TEC-moduler, termoelektriska kylare, termoelektriska moduler Funktion: För LED-applikationer med extremt hög effekt eller strikta temperaturkontrollkrav (såsom vissa projektionsljuskällor och ljuskällor av vetenskaplig kvalitet) kan termoelektriska moduler, termoelektriska kylmoduler, peltier-komponenter och peltier-element ge kraftfullare och mer exakta aktiva kylfunktioner än traditionella kylflänsar, vilket håller LED-övergångstemperaturen inom ett säkert och effektivt område, bibehåller hög ljusstyrka, stabilt spektrum och ultralång livslängd.

Ii. Detaljerad förklaring av de oersättliga fördelarna med TEC-moduler, termoelektriska moduler och termoelektriska enheter (peltierkylare) i optoelektroniska tillämpningar

1. Exakt temperaturkontrollkapacitet: Den kan uppnå stabil temperaturkontroll med ±0,01 °C eller ännu högre precision, vilket vida överträffar passiva eller aktiva värmeavledningsmetoder som luftkylning och vätskekylning, och uppfyller de strikta temperaturkontrollkraven för optoelektroniska enheter.

2. Inga rörliga delar och inget köldmedium: Solid state-drift, inga vibrationsstörningar från kompressor eller fläkt, ingen risk för köldmedieläckage, extremt hög tillförlitlighet, underhållsfri, lämplig för speciella miljöer som vakuum och rymd.

3. Snabb respons och reversibilitet: Genom att ändra strömriktningen kan kylnings-/värmeläget växlas direkt, med en snabb responshastighet (i millisekunder). Det är särskilt lämpligt för att hantera transienta termiska belastningar eller applikationer som kräver exakta temperaturcykler (t.ex. enhetstestning).

4. Miniatyrisering och flexibilitet: Kompakt struktur (millimeternivåtjocklek), hög effekttäthet och kan flexibelt integreras i kapsling på chipnivå, modulnivå eller systemnivå, och anpassas till designen av olika utrymmesbegränsade optoelektroniska produkter.

5. Lokal precis temperaturkontroll: Den kan kyla eller värma specifika punkter exakt utan att kyla hela systemet, vilket resulterar i en högre energieffektivitet och en förenklad systemdesign.

III. Tillämpningsfall och utvecklingstrender

• Optiska moduler: Mikro-TEC-modul (mikrotermoelektrisk kylmodul, termoelektrisk kylmodul som kyler DFB/EML-lasrar) används vanligtvis i 10G/25G/100G/400G och högre optiska moduler (SFP+, QSFP-DD, OSFP) för att säkerställa ögonmönsterkvalitet och bitfelsfrekvens vid långdistansöverföring.

• LiDAR: Kantemitterande eller VCSEL-laserljuskällor i LiDAR för fordonsindustrin och industrin kräver TEC-moduler, termoelektriska kylmoduler, termoelektriska kylare och peltiermoduler för att säkerställa pulsstabilitet och avståndsnoggrannhet, särskilt i scenarier som kräver långdistansdetektering och hög upplösning.

• Infraröd värmekamera: Den avancerade okylda mikroradiometerfokalplansmatrisen (UFPA) stabiliseras vid driftstemperaturen (vanligtvis ~32 °C) genom ett eller flera termoelektriska kylmodulsteg i TEC-modulen, vilket minskar temperaturdriftsbruset; Kylda mellanvågs-/långvågs-infraröda detektorer (MCT, InSb) kräver djup kylning (-196 °C uppnås med Stirling-kylare, men i miniatyriserade applikationer kan TEC-modulens termoelektriska modul och Peltier-modulen användas för förkylning eller sekundär temperaturreglering).

• Biologisk fluorescensdetektion/Ramanspektrometer: Kylning av CCD/CMOS-kameran eller fotomultiplikatorröret (PMT) förbättrar avsevärt detektionsgränsen och bildkvaliteten för svaga fluorescens-/Ramansignaler.

• Kvantoptiska experiment: Tillhandahålla en lågtemperaturmiljö för enfotondetektorer (såsom supraledande nanotråds-SNSPD, som kräver extremt låga temperaturer, men Si/InGaAs APD kyls vanligtvis av TEC-moduler, termoelektriska kylmoduler, termoelektriska moduler, TE-kylare) och vissa kvantljuskällor.

• Utvecklingstrend: Forskning och utveckling av termoelektriska kylmoduler, termoelektriska enheter, TEC-moduler med högre effektivitet (ökat ZT-värde), lägre kostnad, mindre storlek och starkare kylkapacitet; Mer integrerad med avancerade förpackningstekniker (såsom 3D-IC, Co-Packaged Optics); Intelligenta temperaturkontrollalgoritmer optimerar energieffektiviteten.

Termoelektriska kylmoduler, termoelektriska kylare, termoelektriska moduler, peltierelement och peltier-komponenter har blivit de viktigaste komponenterna för värmehantering i moderna högpresterande optoelektroniska produkter. Dess exakta temperaturkontroll, tillförlitlighet i fast tillstånd, snabba respons, lilla storlek och flexibilitet hanterar effektivt viktiga utmaningar som stabiliteten hos laservåglängder, förbättring av detektorkänslighet, undertryckande av termisk drift i optiska system och bibehållande av högpresterande LED-prestanda. I takt med att optoelektronisk teknik utvecklas mot högre prestanda, mindre storlek och bredare tillämpning, kommer TECmodule, peltierkylare, peltiermodul att fortsätta spela en oersättlig roll, och dess teknik i sig förnyas också ständigt för att möta alltmer krävande krav.