ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, टीईसी मॉड्यूल और पेल्टियर कूलर का विकास और अनुप्रयोग

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, टीईसी मॉड्यूल और पेल्टियर कूलर का विकास और अनुप्रयोग

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, पेल्टियर मॉड्यूल (TEC) अपने अद्वितीय लाभों के साथ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के क्षेत्र में एक अपरिहार्य भूमिका निभाते हैं। ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में इसके व्यापक अनुप्रयोग का विश्लेषण निम्नलिखित है:

I. मुख्य अनुप्रयोग क्षेत्र और कार्यप्रणाली

1. लेजर का सटीक तापमान नियंत्रण

• मुख्य आवश्यकताएँ: सभी सेमीकंडक्टर लेज़र (एलडीएस), फाइबर लेज़र पंप स्रोत और सॉलिड-स्टेट लेज़र क्रिस्टल तापमान के प्रति अत्यंत संवेदनशील होते हैं। तापमान में परिवर्तन से निम्नलिखित हो सकता है:

• तरंगदैर्घ्य विचलन: यह संचार की तरंगदैर्घ्य सटीकता (जैसे कि डीडब्ल्यूडीएम सिस्टम में) या सामग्री प्रसंस्करण की स्थिरता को प्रभावित करता है।

• आउटपुट पावर में उतार-चढ़ाव: सिस्टम आउटपुट की स्थिरता को कम करता है।

• सीमा धारा में भिन्नता: इससे दक्षता कम होती है और बिजली की खपत बढ़ती है।

• जीवनकाल में कमी: उच्च तापमान उपकरणों के क्षय की प्रक्रिया को तेज कर देता है।

• टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल का कार्य: एक क्लोज्ड-लूप तापमान नियंत्रण प्रणाली (तापमान सेंसर + नियंत्रक + टीईसी मॉड्यूल, टीई कूलर) के माध्यम से, लेजर चिप या मॉड्यूल का परिचालन तापमान इष्टतम बिंदु (आमतौर पर 25°C ± 0.1°C या इससे भी अधिक सटीकता) पर स्थिर किया जाता है, जिससे तरंगदैर्ध्य स्थिरता, निरंतर बिजली उत्पादन, अधिकतम दक्षता और विस्तारित जीवनकाल सुनिश्चित होता है। यह ऑप्टिकल संचार, लेजर प्रसंस्करण और चिकित्सा लेजर जैसे क्षेत्रों के लिए मूलभूत गारंटी है।

2. फोटोडिटेक्टरों/इन्फ्रारेड डिटेक्टरों का शीतलन

• मुख्य आवश्यकताएँ:

• डार्क करंट को कम करें: इन्फ्रारेड फोकल प्लेन एरे (IRFPA) जैसे कि फोटोडायोड (विशेष रूप से निकट-अवरक्त संचार में उपयोग किए जाने वाले InGaAs डिटेक्टर), एवलांच फोटोडायोड (APD), और मरकरी कैडमियम टेलुराइड (HgCdTe) में कमरे के तापमान पर अपेक्षाकृत बड़ा डार्क करंट होता है, जो सिग्नल-टू-शोर अनुपात (SNR) और पता लगाने की संवेदनशीलता को काफी कम कर देता है।

• ऊष्मीय शोर का दमन: डिटेक्टर का ऊष्मीय शोर ही पता लगाने की सीमा को सीमित करने वाला मुख्य कारक है (जैसे कमजोर प्रकाश संकेत और लंबी दूरी की इमेजिंग)।

• थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, पेल्टियर मॉड्यूल (पेल्टियर तत्व) का कार्य: डिटेक्टर चिप या पूरे पैकेज को परिवेश के तापमान से भी कम (जैसे -40°C या उससे भी कम) तापमान तक ठंडा करना। इससे डार्क करंट और थर्मल नॉइज़ में काफी कमी आती है और डिवाइस की संवेदनशीलता, डिटेक्शन दर और इमेजिंग गुणवत्ता में उल्लेखनीय सुधार होता है। यह उच्च-प्रदर्शन इन्फ्रारेड थर्मल इमेजर, नाइट विज़न डिवाइस, स्पेक्ट्रोमीटर और क्वांटम संचार सिंगल-फोटॉन डिटेक्टरों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

3. सटीक ऑप्टिकल प्रणालियों और घटकों का तापमान नियंत्रण

• मुख्य आवश्यकताएँ: ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म के प्रमुख घटक (जैसे फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग, फिल्टर, इंटरफेरोमीटर, लेंस समूह, सीसीडी/सीएमओएस सेंसर) ऊष्मीय विस्तार और अपवर्तक सूचकांक तापमान गुणांक के प्रति संवेदनशील होते हैं। तापमान में परिवर्तन से ऑप्टिकल पथ की लंबाई में बदलाव, फोकल लंबाई में विचलन और फिल्टर के केंद्र में तरंगदैर्ध्य में बदलाव हो सकता है, जिससे सिस्टम के प्रदर्शन में गिरावट आ सकती है (जैसे धुंधली छवि, गलत ऑप्टिकल पथ और माप त्रुटियाँ)।

• टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल का कार्य:

• सक्रिय तापमान नियंत्रण: प्रमुख ऑप्टिकल घटक उच्च तापीय चालकता वाले सब्सट्रेट पर स्थापित होते हैं, और टीईसी मॉड्यूल (पेल्टियर कूलर, पेल्टियर डिवाइस), थर्मोइलेक्ट्रिक डिवाइस तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित करते हैं (स्थिर तापमान या एक विशिष्ट तापमान वक्र बनाए रखते हैं)।

• तापमान समरूपता: सिस्टम की तापीय स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए उपकरण के भीतर या घटकों के बीच तापमान अंतर प्रवणता को समाप्त करें।

• पर्यावरणीय उतार-चढ़ाव का प्रतिकार: आंतरिक परिशुद्धता ऑप्टिकल पथ पर बाहरी पर्यावरणीय तापमान परिवर्तन के प्रभाव की भरपाई करता है। इसका व्यापक रूप से उच्च-परिशुद्धता स्पेक्ट्रोमीटर, खगोलीय दूरबीन, फोटोलिथोग्राफी मशीन, उच्च-स्तरीय माइक्रोस्कोप, ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग सिस्टम आदि में उपयोग किया जाता है।

4. एलईडी के प्रदर्शन का अनुकूलन और जीवनकाल में वृद्धि

• मुख्य आवश्यकताएँ: उच्च-शक्ति वाले एलईडी (विशेष रूप से प्रोजेक्शन, प्रकाश व्यवस्था और यूवी क्योरिंग के लिए) संचालन के दौरान काफी गर्मी उत्पन्न करते हैं। जंक्शन तापमान में वृद्धि से निम्नलिखित परिणाम होंगे:

• प्रकाशीय दक्षता में कमी: विद्युत-प्रकाशिक रूपांतरण दक्षता कम हो जाती है।

• तरंगदैर्ध्य में बदलाव: यह रंग की स्थिरता को प्रभावित करता है (जैसे कि RGB प्रोजेक्शन)।

• जीवनकाल में तीव्र कमी: जंक्शन तापमान एलईडी के जीवनकाल को प्रभावित करने वाला सबसे महत्वपूर्ण कारक है (आर्हेनियस मॉडल के अनुसार)।

• टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल का कार्य: अत्यधिक उच्च शक्ति या सख्त तापमान नियंत्रण आवश्यकताओं वाले एलईडी अनुप्रयोगों (जैसे कुछ प्रक्षेपण प्रकाश स्रोत और वैज्ञानिक-श्रेणी के प्रकाश स्रोत) के लिए, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, पेल्टियर डिवाइस, पेल्टियर तत्व पारंपरिक हीट सिंक की तुलना में अधिक शक्तिशाली और सटीक सक्रिय शीतलन क्षमता प्रदान कर सकते हैं, जिससे एलईडी जंक्शन तापमान को सुरक्षित और कुशल सीमा के भीतर रखा जा सकता है, उच्च चमक आउटपुट, स्थिर स्पेक्ट्रम और अति-दीर्घ जीवनकाल बनाए रखा जा सकता है।

II. ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल और थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों (पेल्टियर कूलर) के अपरिहार्य लाभों का विस्तृत विवरण

1. सटीक तापमान नियंत्रण क्षमता: यह ±0.01°C या उससे भी अधिक सटीकता के साथ स्थिर तापमान नियंत्रण प्राप्त कर सकता है, जो वायु शीतलन और तरल शीतलन जैसी निष्क्रिय या सक्रिय ऊष्मा अपव्यय विधियों से कहीं अधिक है, और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की सख्त तापमान नियंत्रण आवश्यकताओं को पूरा करता है।

2. कोई गतिशील पुर्जे नहीं और कोई रेफ्रिजरेंट नहीं: ठोस-अवस्था संचालन, कंप्रेसर या पंखे के कंपन से कोई हस्तक्षेप नहीं, रेफ्रिजरेंट रिसाव का कोई खतरा नहीं, अत्यंत उच्च विश्वसनीयता, रखरखाव-मुक्त, निर्वात और अंतरिक्ष जैसे विशेष वातावरण के लिए उपयुक्त।

3. त्वरित प्रतिक्रिया और प्रतिवर्तीता: धारा की दिशा बदलकर, शीतलन/तापन मोड को तुरंत और तेजी से (मिलीसेकंड में) बदला जा सकता है। यह विशेष रूप से क्षणिक तापीय भार या सटीक तापमान चक्रण की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों (जैसे उपकरण परीक्षण) के लिए उपयुक्त है।

4. लघुकरण और लचीलापन: कॉम्पैक्ट संरचना (मिलीमीटर-स्तर की मोटाई), उच्च शक्ति घनत्व, और चिप-स्तर, मॉड्यूल-स्तर या सिस्टम-स्तर पैकेजिंग में लचीले ढंग से एकीकृत किया जा सकता है, जो विभिन्न स्थान-बाधित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के डिजाइन के अनुकूल है।

5. स्थानीय सटीक तापमान नियंत्रण: यह पूरे सिस्टम को ठंडा किए बिना विशिष्ट हॉटस्पॉट को सटीक रूप से ठंडा या गर्म कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च ऊर्जा दक्षता अनुपात और अधिक सरलीकृत सिस्टम डिजाइन प्राप्त होता है।

iii. अनुप्रयोग के मामले और विकास के रुझान

• ऑप्टिकल मॉड्यूल: माइक्रो टीईसी मॉड्यूल (माइक्रो थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल कूलिंग डीएफबी/ईएमएल लेजर) का उपयोग आमतौर पर 10जी/25जी/100जी/400जी और उच्च दर वाले लचीले ऑप्टिकल मॉड्यूल (एसएफपी+, क्यूएसएफपी-डीडी, ओएसएफपी) में लंबी दूरी के प्रसारण के दौरान आई पैटर्न की गुणवत्ता और बिट त्रुटि दर सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है।

• लिडार: ऑटोमोटिव और औद्योगिक लिडार में एज-एमिटिंग या वीसीएसईएल लेजर प्रकाश स्रोतों को पल्स स्थिरता और रेंजिंग सटीकता सुनिश्चित करने के लिए टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर, पेल्टियर मॉड्यूल की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से उन परिदृश्यों में जिनमें लंबी दूरी और उच्च-रिज़ॉल्यूशन डिटेक्शन की आवश्यकता होती है।

• इन्फ्रारेड थर्मल इमेजर: उच्च-स्तरीय अनकूल्ड माइक्रो-रेडियोमीटर फोकल प्लेन ऐरे (UFPA) को एक या एक से अधिक TEC मॉड्यूल थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल चरणों के माध्यम से ऑपरेटिंग तापमान (आमतौर पर ~32°C) पर स्थिर किया जाता है, जिससे तापमान बहाव शोर कम हो जाता है; प्रशीतित मध्यम-तरंग/दीर्घ-तरंग इन्फ्रारेड डिटेक्टरों (MCT, InSb) को गहन शीतलन की आवश्यकता होती है (-196°C स्टर्लिंग रेफ्रिजरेटर द्वारा प्राप्त किया जाता है, लेकिन लघु अनुप्रयोगों में, TEC मॉड्यूल थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, पेल्टियर मॉड्यूल का उपयोग पूर्व-शीतलन या द्वितीयक तापमान नियंत्रण के लिए किया जा सकता है)।

• जैविक प्रतिदीप्ति पहचान/रमन स्पेक्ट्रोमीटर: सीसीडी/सीएमओएस कैमरा या फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (पीएमटी) को ठंडा करने से कमजोर प्रतिदीप्ति/रमन संकेतों की पहचान सीमा और इमेजिंग गुणवत्ता में काफी सुधार होता है।

• क्वांटम ऑप्टिकल प्रयोग: एकल-फोटॉन डिटेक्टरों (जैसे सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर एसएनएसपीडी, जिसके लिए अत्यंत कम तापमान की आवश्यकता होती है, लेकिन Si/InGaAs APD को आमतौर पर TEC मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, TE कूलर द्वारा ठंडा किया जाता है) और कुछ क्वांटम प्रकाश स्रोतों के लिए कम तापमान वाला वातावरण प्रदान करते हैं।

• विकास का रुझान: उच्च दक्षता (बढ़ा हुआ जेडटी मान), कम लागत, छोटे आकार और मजबूत शीतलन क्षमता वाले थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक डिवाइस और टीईसी मॉड्यूल का अनुसंधान और विकास; उन्नत पैकेजिंग प्रौद्योगिकियों (जैसे 3डी आईसी, को-पैकेज्ड ऑप्टिक्स) के साथ अधिक निकटता से एकीकृत; बुद्धिमान तापमान नियंत्रण एल्गोरिदम ऊर्जा दक्षता को अनुकूलित करते हैं।

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, पेल्टियर एलिमेंट और पेल्टियर डिवाइस आधुनिक उच्च-प्रदर्शन ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के प्रमुख थर्मल प्रबंधन घटक बन गए हैं। इसका सटीक तापमान नियंत्रण, ठोस-अवस्था विश्वसनीयता, तीव्र प्रतिक्रिया, छोटा आकार और लचीलापन लेजर तरंग दैर्ध्य की स्थिरता, डिटेक्टर संवेदनशीलता में सुधार, ऑप्टिकल सिस्टम में थर्मल ड्रिफ्ट को कम करने और उच्च-शक्ति एलईडी प्रदर्शन को बनाए रखने जैसी प्रमुख चुनौतियों का प्रभावी ढंग से समाधान करते हैं। ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकी के उच्च प्रदर्शन, छोटे आकार और व्यापक अनुप्रयोग की ओर विकसित होने के साथ, TEC मॉड्यूल, पेल्टियर कूलर और पेल्टियर मॉड्यूल एक अपरिहार्य भूमिका निभाते रहेंगे, और इसकी तकनीक भी बढ़ती मांगों को पूरा करने के लिए लगातार नवाचार कर रही है।