De ontwikkeling en toepassing van thermo-elektrische koelmodules, TEC-modules en Peltier-koelers op het gebied van opto-elektronica

De ontwikkeling en toepassing van thermo-elektrische koelmodules, TEC-modules en Peltier-koelers op het gebied van opto-elektronica

Thermo-elektrische koelers, thermo-elektrische modules en Peltier-modules (TEC) spelen een onmisbare rol in opto-elektronische producten met hun unieke voordelen. Hieronder volgt een analyse van de brede toepassing ervan in opto-elektronische producten:

I. Kern toepassingsgebieden en werkingsmechanisme

1. Nauwkeurige temperatuurregeling van de laser

• Belangrijkste vereisten: Alle halfgeleiderlasers (LDS), fiberlaserpompbronnen en vastestoflaserkristallen zijn extreem gevoelig voor temperatuur. Temperatuurveranderingen kunnen leiden tot:

• Golflengtedrift: beïnvloedt de golflengtenauwkeurigheid van communicatie (zoals in DWDM-systemen) of de stabiliteit van materiaalverwerking.

• Schommelingen in het uitgangsvermogen: vermindert de consistentie van de systeemuitvoer.

• Drempelstroomvariatie: vermindert de efficiëntie en verhoogt het stroomverbruik.

• Verkorte levensduur: hoge temperaturen versnellen de veroudering van apparaten.

• TEC-module, thermo-elektrische modulefunctie: Via een gesloten temperatuurregelsysteem (temperatuursensor + controller + TEC-module, TE-koeler) wordt de bedrijfstemperatuur van de laserchip of -module gestabiliseerd op het optimale punt (doorgaans 25 °C ± 0,1 °C of zelfs een hogere precisie), wat zorgt voor golflengtestabiliteit, een constant vermogen, maximale efficiëntie en een langere levensduur. Dit is de fundamentele garantie voor sectoren zoals optische communicatie, laserbewerking en medische lasers.

2. Koeling van fotodetectoren/infrarooddetectoren

• Belangrijkste vereisten:

• Verminder de donkerstroom: Infrarood-focal plane arrays (IRFPA), zoals fotodiodes (met name InGaAs-detectoren die worden gebruikt bij communicatie in het nabije infrarood), lawinefotodiodes (APD) en kwikcadmiumtelluride (HgCdTe), hebben relatief grote donkerstromen bij kamertemperatuur, waardoor de signaal-ruisverhouding (SNR) en de detectiegevoeligheid aanzienlijk worden verminderd.

• Onderdrukking van thermische ruis: De thermische ruis van de detector zelf is de belangrijkste factor die de detectielimiet beperkt (zoals zwakke lichtsignalen en beelden op grote afstand).

• Thermo-elektrische koelmodule, Peltier-module (Peltier-element) functie: Koel de detectorchip of de gehele behuizing tot temperaturen onder de omgevingstemperatuur (zoals -40 °C of zelfs lager). Vermindert de donkerstroom en thermische ruis aanzienlijk en verbetert de gevoeligheid, detectiesnelheid en beeldkwaliteit van het apparaat aanzienlijk. Dit is met name cruciaal voor hoogwaardige infrarood-warmtebeeldcamera's, nachtzichtapparatuur, spectrometers en kwantumcommunicatiedetectoren met één foton.

3. Temperatuurregeling van optische precisiesystemen en componenten

• Belangrijkste vereisten: De belangrijkste componenten op het optische platform (zoals fiber-Bragg-roosters, filters, interferometers, lensgroepen, CCD/CMOS-sensoren) zijn gevoelig voor thermische uitzetting en temperatuurcoëfficiënten van de brekingsindex. Temperatuurveranderingen kunnen leiden tot veranderingen in de optische padlengte, brandpuntsafstandsdrift en golflengteverschuiving in het midden van het filter, wat leidt tot verslechtering van de systeemprestaties (zoals wazige beelden, onnauwkeurige optische paden en meetfouten).

• TEC-module, thermo-elektrische koelmodule Functie:

• Actieve temperatuurregeling: Belangrijke optische componenten zijn geïnstalleerd op een substraat met een hoge thermische geleidbaarheid, en de TEC-module (Peltier-koeler, Peltier-apparaat), een thermo-elektrisch apparaat, regelt de temperatuur nauwkeurig (door een constante temperatuur of een specifieke temperatuurcurve te handhaven).

• Temperatuurhomogenisatie: elimineer de temperatuurverschillen binnen de apparatuur of tussen componenten om de thermische stabiliteit van het systeem te garanderen.

• Tegengaan van omgevingsfluctuaties: Compenseert de impact van externe temperatuurveranderingen op het interne optische precisiepad. Het wordt veel toegepast in zeer nauwkeurige spectrometers, astronomische telescopen, fotolithografiemachines, geavanceerde microscopen, optische vezelsensorsystemen, enz.

4. Prestatie-optimalisatie en levensduurverlenging van leds

• Belangrijkste vereisten: Hoogvermogen-leds (met name voor projectie, verlichting en UV-uitharding) genereren aanzienlijke warmte tijdens gebruik. Een stijging van de overgangstemperatuur leidt tot:

• Verminderde lichtopbrengst: De elektro-optische omzettingsefficiëntie is verminderd.

• Golflengteverschuiving: beïnvloedt de kleurconsistentie (zoals RGB-projectie).

• Sterke afname van de levensduur: de overgangstemperatuur is de belangrijkste factor die de levensduur van leds beïnvloedt (volgens het Arrhenius-model).

• TEC-modules, thermo-elektrische koelers, thermo-elektrische modules Functie: Voor LED-toepassingen met extreem hoog vermogen of strenge temperatuurregelvereisten (zoals bepaalde projectielichtbronnen en lichtbronnen van wetenschappelijke kwaliteit), kunnen thermo-elektrische modules, thermo-elektrische koelmodules, peltier-apparaten en peltier-elementen krachtigere en nauwkeurigere actieve koelcapaciteiten bieden dan traditionele koellichamen, waardoor de LED-overgangstemperatuur binnen een veilig en efficiënt bereik blijft, een hoge helderheid, een stabiel spectrum en een extreem lange levensduur behouden blijven.

Ii. Gedetailleerde uitleg van de onvervangbare voordelen van TEC-modules, thermo-elektrische modules en thermo-elektrische apparaten (Peltier-koelers) in opto-elektronische toepassingen

1. Nauwkeurige temperatuurregeling: Het systeem kan een stabiele temperatuurregeling bereiken met een precisie van ±0,01°C of zelfs hoger, wat de passieve of actieve warmteafvoermethoden zoals luchtkoeling en vloeistofkoeling ver overtreft en voldoet aan de strenge temperatuurregelingsvereisten van opto-elektronische apparaten.

2. Geen bewegende onderdelen en geen koelmiddel: Solid-state-werking, geen trillingen van de compressor of ventilator, geen risico op koelmiddellekkage, extreem hoge betrouwbaarheid, onderhoudsvrij, geschikt voor speciale omgevingen zoals vacuüm en ruimte.

3. Snelle respons en omkeerbaarheid: Door de stroomrichting te veranderen, kan de koel-/verwarmingsmodus direct worden omgeschakeld, met een snelle responstijd (in milliseconden). Dit is met name geschikt voor transiënte thermische belastingen of toepassingen die nauwkeurige temperatuurcycli vereisen (zoals het testen van apparaten).

4. Miniaturisatie en flexibiliteit: compacte structuur (dikte van een millimeter), hoge vermogensdichtheid en kan flexibel worden geïntegreerd in behuizingen op chip-, module- of systeemniveau, waardoor aanpassing aan het ontwerp van verschillende opto-elektronische producten met beperkte ruimte mogelijk is.

5. Nauwkeurige, lokale temperatuurregeling: Het systeem kan specifieke hotspots nauwkeurig koelen of verwarmen zonder het hele systeem te koelen. Dit resulteert in een hogere energie-efficiëntieverhouding en een eenvoudiger systeemontwerp.

III. Toepassingsgevallen en ontwikkelingstrends

• Optische modules: Micro TEC-module (micro thermo-elektrische koelmodule, thermo-elektrische koelmodule koeling DFB/EML-lasers worden vaak gebruikt in 10G/25G/100G/400G en hogere snelheids multifocale optische modules (SFP+, QSFP-DD, OSFP) om de kwaliteit van het oogpatroon en de bitfoutfrequentie te garanderen tijdens transmissie over lange afstanden.

• LiDAR: Edge-emitting of VCSEL laserlichtbronnen in automobiel- en industriële LiDAR vereisen TEC-modules, thermo-elektrische koelmodules, thermo-elektrische koelers en Peltier-modules om de pulsstabiliteit en de meetnauwkeurigheid te garanderen, met name in scenario's die detectie over grote afstand en met een hoge resolutie vereisen.

• Infraroodwarmtebeeldcamera: De hoogwaardige ongekoelde microradiometer-focal plane array (UFPA) wordt gestabiliseerd op de bedrijfstemperatuur (meestal ~32°C) via een enkele of meerdere thermo-elektrische koelmodulefasen van de TEC-module, waardoor temperatuurdriftruis wordt verminderd; gekoelde middengolf-/langgolvige infrarooddetectoren (MCT, InSb) vereisen diepe koeling (-196°C wordt bereikt door Stirling-koelkasten, maar in geminiaturiseerde toepassingen kunnen de thermo-elektrische module en de Peltier-module van de TEC-module worden gebruikt voor voorkoeling of secundaire temperatuurregeling).

• Biologische fluorescentiedetectie/Raman-spectrometer: Door de CCD/CMOS-camera of fotomultiplicatorbuis (PMT) te koelen, worden de detectielimiet en de beeldkwaliteit van zwakke fluorescentie-/Raman-signalen aanzienlijk verbeterd.

• Quantumoptische experimenten: Zorg voor een omgeving met lage temperaturen voor enkelvoudige fotondetectoren (zoals supergeleidende nanodraad-SNSPD, die extreem lage temperaturen vereist, maar Si/InGaAs-APD wordt doorgaans gekoeld door een TEC-module, thermo-elektrische koelmodule, thermo-elektrische module, TE-koeler) en bepaalde kwantumlichtbronnen.

• Ontwikkelingstrend: Onderzoek en ontwikkeling van thermo-elektrische koelmodules, thermo-elektrische apparaten, TEC-modules met hogere efficiëntie (verhoogde ZT-waarde), lagere kosten, kleinere afmetingen en sterkere koelcapaciteit; Betere integratie met geavanceerde verpakkingstechnologieën (zoals 3D IC, Co-Packaged Optics); Intelligente algoritmen voor temperatuurregeling optimaliseren de energie-efficiëntie.

Thermo-elektrische koelmodules, thermo-elektrische koelers, thermo-elektrische modules, peltierelementen en peltierapparaten zijn de belangrijkste componenten voor thermisch beheer geworden van moderne, hoogwaardige opto-elektronische producten. De nauwkeurige temperatuurregeling, solid-state betrouwbaarheid, snelle respons en kleine afmetingen en flexibiliteit bieden effectief een antwoord op belangrijke uitdagingen, zoals de stabiliteit van lasergolflengten, de verbetering van de detectorgevoeligheid, het onderdrukken van thermische drift in optische systemen en het behoud van krachtige LED-prestaties. Naarmate opto-elektronische technologie evolueert naar hogere prestaties, kleinere afmetingen en bredere toepassingen, zal de TEC-module, peltierkoeler en peltiermodule een onvervangbare rol blijven spelen. De technologie zelf is ook voortdurend in ontwikkeling om aan de steeds strengere eisen te voldoen.