El desenvolupament i l'aplicació del mòdul de refrigeració termoelèctrica, mòdul TEC, refrigerador Peltier en el camp de l'optoelectrònica

El desenvolupament i l'aplicació del mòdul de refrigeració termoelèctrica, mòdul TEC, refrigerador Peltier en el camp de l'optoelectrònica

El refrigerador termoelèctric, el mòdul termoelèctric i el mòdul Peltier (TEC) tenen un paper indispensable en el camp dels productes optoelectrònics amb els seus avantatges únics. A continuació, es mostra una anàlisi de la seva àmplia aplicació en productes optoelectrònics:

I. Camps d'aplicació principals i mecanisme d'acció

1. Control precís de la temperatura del làser

• Requisits clau: Tots els làsers semiconductors (LDS), les fonts de bombament de làser de fibra i els cristalls làser d'estat sòlid són extremadament sensibles a la temperatura. Els canvis de temperatura poden provocar:

• Deriva de la longitud d'ona: Afecta la precisió de la longitud d'ona de la comunicació (com en els sistemes DWDM) o l'estabilitat del processament del material.

• Fluctuació de la potència de sortida: Redueix la consistència de la sortida del sistema.

• Variació del corrent llindar: Redueix l'eficiència i augmenta el consum d'energia.

• Durada de vida més curta: les altes temperatures acceleren l'envelliment dels dispositius.

• Mòdul TEC, funció del mòdul termoelèctric: Mitjançant un sistema de control de temperatura de circuit tancat (sensor de temperatura + controlador + mòdul TEC, refrigerador TE), la temperatura de funcionament del xip o mòdul làser s'estabilitza al punt òptim (normalment 25 °C ± 0,1 °C o fins i tot una precisió més alta), garantint l'estabilitat de la longitud d'ona, la potència de sortida constant, la màxima eficiència i una vida útil més llarga. Aquesta és la garantia fonamental per a camps com la comunicació òptica, el processament làser i els làsers mèdics.

2. Refrigeració de fotodetectors/detectors d'infrarojos

• Requisits clau:

• Reduir el corrent fosc: les matrius del pla focal d'infrarojos (IRFPA), com ara els fotodíodes (especialment els detectors d'InGaAs utilitzats en la comunicació de l'infraroig proper), els fotodíodes d'allaus (APD) i el tel·lurur de mercuri i cadmi (HgCdTe), tenen corrents foscos relativament grans a temperatura ambient, cosa que redueix significativament la relació senyal-soroll (SNR) i la sensibilitat de detecció.

• Supressió del soroll tèrmic: El soroll tèrmic del detector en si és el principal factor que limita el límit de detecció (com ara senyals de llum febles i imatges de llarga distància).

• Mòdul de refrigeració termoelèctrica, funció del mòdul Peltier (element Peltier): refreda el xip del detector o tot el paquet a temperatures subambientals (com ara -40 °C o fins i tot inferiors). Redueix significativament el corrent fosc i el soroll tèrmic, i millora significativament la sensibilitat, la taxa de detecció i la qualitat d'imatge del dispositiu. És particularment crucial per a càmeres tèrmiques d'infrarojos d'alt rendiment, dispositius de visió nocturna, espectròmetres i detectors de fotó únic amb comunicació quàntica.

3. Control de temperatura de sistemes i components òptics de precisió

• Requisits clau: Els components clau de la plataforma òptica (com ara xarxes de Bragg de fibra, filtres, interferòmetres, grups de lents, sensors CCD/CMOS) són sensibles a l'expansió tèrmica i als coeficients de temperatura de l'índex de refracció. Els canvis de temperatura poden causar alteracions en la longitud del camí òptic, la deriva de la distància focal i el canvi de longitud d'ona al centre del filtre, cosa que provoca un deteriorament del rendiment del sistema (com ara imatges borroses, camí òptic inexacte i errors de mesura).

• Mòdul TEC, mòdul de refrigeració termoelèctric Funció:

• Control actiu de la temperatura: els components òptics clau estan instal·lats en un substrat d'alta conductivitat tèrmica i el mòdul TEC (refrigerador Peltier, dispositiu Peltier), dispositiu termoelèctric, controla amb precisió la temperatura (mantenint una temperatura constant o una corba de temperatura específica).

• Homogeneïtzació de temperatura: Eliminar el gradient de diferència de temperatura dins de l'equip o entre components per garantir l'estabilitat tèrmica del sistema.

• Contrarestar les fluctuacions ambientals: Compensar l'impacte dels canvis de temperatura ambiental externa en la trajectòria òptica de precisió interna. S'aplica àmpliament en espectròmetres d'alta precisió, telescopis astronòmics, màquines de fotolitografia, microscopis d'alta gamma, sistemes de detecció de fibra òptica, etc.

4. Optimització del rendiment i extensió de la vida útil dels leds

• Requisits clau: Els LED d'alta potència (especialment per a projecció, il·luminació i curat UV) generen una calor significativa durant el funcionament. Un augment de la temperatura de la unió comportarà:

• Disminució de l'eficiència lluminosa: L'eficiència de conversió electroòptica es redueix.

• Desplaçament de la longitud d'ona: afecta la consistència del color (com ara la projecció RGB).

• Reducció pronunciada de la vida útil: la temperatura de la unió és el factor més significatiu que afecta la vida útil dels leds (seguint el model d'Arrhenius).

• Mòduls TEC, refrigeradors termoelèctrics, mòduls termoelèctrics Funció: Per a aplicacions LED amb una potència extremadament alta o requisits estrictes de control de temperatura (com ara certes fonts de llum de projecció i fonts de llum de grau científic), el mòdul termoelèctric, el mòdul de refrigeració termoelèctrica, el dispositiu Peltier, l'element Peltier poden proporcionar capacitats de refrigeració activa més potents i precises que els dissipadors de calor tradicionals, mantenint la temperatura de la unió LED dins d'un rang segur i eficient, mantenint una sortida de brillantor elevada, un espectre estable i una vida útil ultrallarga.

Ii. Explicació detallada dels avantatges irreemplaçables dels mòduls termoelèctrics TEC i dels dispositius termoelèctrics (refrigeradors Peltier) en aplicacions optoelectròniques

1. Capacitat de control precís de la temperatura: pot aconseguir un control de temperatura estable amb una precisió de ±0,01 °C o fins i tot més alta, superant amb escreix els mètodes de dissipació de calor passius o actius com ara la refrigeració per aire i la refrigeració líquida, complint els estrictes requisits de control de temperatura dels dispositius optoelectrònics.

2. Sense peces mòbils ni refrigerant: funcionament d'estat sòlid, sense interferències de vibració del compressor ni del ventilador, sense risc de fuites de refrigerant, fiabilitat extremadament alta, sense manteniment, adequat per a entorns especials com el buit i l'espai.

3. Resposta ràpida i reversibilitat: Canviant la direcció del corrent, el mode de refrigeració/escalfament es pot canviar instantàniament, amb una velocitat de resposta ràpida (en mil·lisegons). És especialment adequat per fer front a càrregues tèrmiques transitòries o aplicacions que requereixen cicles de temperatura precisos (com ara proves de dispositius).

4. Miniaturització i flexibilitat: estructura compacta (gruix mil·limètric), alta densitat de potència i es pot integrar flexiblement en envasos a nivell de xip, mòdul o sistema, adaptant-se al disseny de diversos productes optoelectrònics amb restriccions d'espai.

5. Control local precís de la temperatura: pot refredar o escalfar amb precisió punts crítics específics sense refredar tot el sistema, cosa que resulta en una major eficiència energètica i un disseny del sistema més simplificat.

Iii. Casos d'aplicació i tendències de desenvolupament

• Mòduls òptics: el mòdul Micro TEC (mòdul de refrigeració microtermoelèctric, mòdul de refrigeració termoelèctric, làsers DFB/EML de refrigeració s'utilitzen habitualment en mòduls òptics flexibles de 10G/25G/100G/400G i de velocitat superior (SFP+, QSFP-DD, OSFP) per garantir la qualitat del patró d'ulls i la taxa d'error de bits durant la transmissió a llarga distància.

• LiDAR: Les fonts de llum làser d'emissió perimetral o VCSEL en LiDAR per a l'automoció i la indústria requereixen mòduls TEC, mòduls de refrigeració termoelèctrics, refrigeradors termoelèctrics i mòduls Peltier per garantir l'estabilitat dels polsos i la precisió de la mesura, especialment en escenaris que exigeixen detecció a llarga distància i alta resolució.

• Càmera tèrmica d'infrarojos: la matriu de pla focal de microradiòmetres (UFPA) sense refrigeració d'alta gamma s'estabilitza a la temperatura de funcionament (normalment ~32 °C) mitjançant una o diverses etapes de mòdul de refrigeració termoelèctrica del mòdul TEC, cosa que redueix el soroll de deriva de temperatura; els detectors d'infrarojos d'ona mitjana/longitud refrigerats (MCT, InSb) requereixen un refredament profund (els refrigeradors Stirling aconsegueixen -196 °C, però en aplicacions miniaturitzades, el mòdul termoelèctric del mòdul TEC i el mòdul Peltier es poden utilitzar per al prerefredament o el control secundari de la temperatura).

• Detecció de fluorescència biològica/espectròmetre Raman: El refredament de la càmera CCD/CMOS o del tub fotomultiplicador (PMT) millora considerablement el límit de detecció i la qualitat d'imatge dels senyals de fluorescència/Raman febles.

• Experiments òptics quàntics: proporcionen un entorn de baixa temperatura per a detectors d'un sol fotó (com ara SNSPD de nanofils superconductors, que requereix temperatures extremadament baixes, però l'APD de Si/InGaAs es refreda habitualment mitjançant el mòdul TEC, el mòdul de refrigeració termoelèctric, el mòdul termoelèctric, el refrigerador TE) i certes fonts de llum quàntica.

• Tendència de desenvolupament: Recerca i desenvolupament de mòduls de refrigeració termoelèctrics, dispositius termoelèctrics, mòduls TEC amb major eficiència (augment del valor ZT), menor cost, mida més petita i major capacitat de refrigeració; Més integració amb tecnologies d'envasament avançades (com ara circuits integrats 3D, òptica coenvasada); Els algoritmes intel·ligents de control de temperatura optimitzen l'eficiència energètica.

Els mòduls de refrigeració termoelèctrics, els refrigeradors termoelèctrics, els mòduls termoelèctrics, els elements Peltier i els dispositius Peltier s'han convertit en els components bàsics de gestió tèrmica dels productes optoelectrònics d'alt rendiment moderns. El seu control precís de la temperatura, la fiabilitat d'estat sòlid, la resposta ràpida i la mida i flexibilitat reduïdes aborden eficaçment reptes clau com l'estabilitat de les longituds d'ona del làser, la millora de la sensibilitat del detector, la supressió de la deriva tèrmica en sistemes òptics i el manteniment del rendiment dels LED d'alta potència. A mesura que la tecnologia optoelectrònica evoluciona cap a un rendiment més alt, una mida més petita i una aplicació més àmplia, el mòdul TEC, el refrigerador Peltier i el mòdul Peltier continuaran jugant un paper irreemplaçable, i la seva tecnologia també està constantment innovant per satisfer uns requisits cada cop més exigents.