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

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

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, पेल्टियर मॉड्यूल (TEC) अपने अनूठे फायदों 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 क्रियाविधि

1. लेज़र का सटीक तापमान नियंत्रण

• मुख्य आवश्यकताएँ: सभी अर्धचालक लेज़र (LDS), फ़ाइबर लेज़र पंप स्रोत और सॉलिड-स्टेट लेज़र क्रिस्टल तापमान के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं। तापमान में परिवर्तन के कारण:

• तरंगदैर्ध्य विचलन: संचार की तरंगदैर्ध्य सटीकता (जैसे कि DWDM प्रणालियों में) या सामग्री प्रसंस्करण की स्थिरता को प्रभावित करता है।

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

• थ्रेशोल्ड करंट वेरिएशन: दक्षता कम करता है और बिजली की खपत बढ़ाता है।

• छोटा जीवनकाल: उच्च तापमान उपकरणों की उम्र को तेज कर देता है।

• TEC मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल फ़ंक्शन: एक बंद-लूप तापमान नियंत्रण प्रणाली (तापमान सेंसर + नियंत्रक + TEC मॉड्यूल, TE कूलर) के माध्यम से, लेज़र चिप या मॉड्यूल का ऑपरेटिंग तापमान इष्टतम बिंदु (आमतौर पर 25°C±0.1°C या उससे भी अधिक परिशुद्धता) पर स्थिर किया जाता है, जिससे तरंगदैर्ध्य स्थिरता, निरंतर विद्युत उत्पादन, अधिकतम दक्षता और विस्तारित जीवनकाल सुनिश्चित होता है। यह ऑप्टिकल संचार, लेज़र प्रसंस्करण और चिकित्सा लेज़र 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 फोटोडियोड (विशेष रूप से निकट-अवरक्त संचार में उपयोग किए जाने वाले InGaAs डिटेक्टर), हिमस्खलन फोटोडियोड (APD), और मर्करी कैडमियम टेल्यूराइड (HgCdTe) में कमरे के तापमान पर अपेक्षाकृत बड़ी डार्क करंट होती है, जो सिग्नल-टू-शोर अनुपात (SNR) और डिटेक्शन संवेदनशीलता को काफी कम कर देती है।

• तापीय शोर का दमन: डिटेक्टर का तापीय 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 एलिमेंट) फ़ंक्शन: डिटेक्टर चिप या पूरे पैकेज को उप-परिवेश तापमान (जैसे -40°C या उससे भी कम) तक ठंडा करता है। डार्क करंट और थर्मल नॉइज़ को काफ़ी कम करता है, और डिवाइस की संवेदनशीलता, डिटेक्शन दर और इमेजिंग गुणवत्ता में उल्लेखनीय सुधार करता है। यह उच्च-प्रदर्शन वाले इन्फ्रारेड थर्मल इमेजर्स, नाइट विज़न डिवाइस, स्पेक्ट्रोमीटर और क्वांटम कम्युनिकेशन सिंगल-फ़ोटॉन डिटेक्टरों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है।

3. सटीक ऑप्टिकल प्रणालियों और घटकों का तापमान नियंत्रण

• मुख्य आवश्यकताएँ: ऑप्टिकल प्लेटफ़ॉर्म के प्रमुख घटक (जैसे फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग, फ़िल्टर, इंटरफेरोमीटर, लेंस समूह, सीसीडी/सीएमओएस सेंसर) तापीय प्रसार और अपवर्तनांक तापमान गुणांकों के प्रति संवेदनशील होते हैं। तापमान परिवर्तन ऑप्टिकल पथ की लंबाई, फ़ोकल लंबाई के विचलन और फ़िल्टर के केंद्र में तरंगदैर्ध्य में बदलाव का कारण बन सकते हैं, जिससे सिस्टम के प्रदर्शन में गिरावट आ सकती है (जैसे धुंधली इमेजिंग, गलत ऑप्टिकल पथ और माप त्रुटियाँ)।

• टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल फ़ंक्शन:

• सक्रिय तापमान नियंत्रण: प्रमुख ऑप्टिकल घटकों को उच्च तापीय चालकता सब्सट्रेट पर स्थापित किया जाता है, और टीईसी मॉड्यूल (पेल्टियर कूलर, पेल्टियर डिवाइस), थर्मोइलेक्ट्रिक डिवाइस तापमान को सटीक रूप से नियंत्रित करता है (स्थिर तापमान या विशिष्ट तापमान वक्र बनाए रखता है)।

• तापमान समरूपीकरण: 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 परिशुद्ध प्रकाशीय पथ पर बाहरी पर्यावरणीय तापमान परिवर्तनों के प्रभाव की भरपाई करता है। इसका व्यापक रूप से उच्च-परिशुद्धता स्पेक्ट्रोमीटर, खगोलीय दूरबीनों, फोटोलिथोग्राफी मशीनों, उच्च-स्तरीय सूक्ष्मदर्शी, ऑप्टिकल फाइबर सेंसिंग प्रणालियों आदि में उपयोग किया जाता है।

4. एलईडी का प्रदर्शन अनुकूलन और जीवनकाल विस्तार

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

• कम चमकदार दक्षता: इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल रूपांतरण दक्षता कम हो जाती है।

• तरंगदैर्ध्य बदलाव: रंग स्थिरता को प्रभावित करता है (जैसे RGB प्रक्षेपण)।

• जीवनकाल में तीव्र कमी: जंक्शन तापमान एल.ई.डी. के जीवनकाल को प्रभावित करने वाला सबसे महत्वपूर्ण कारक है (अरहेनियस मॉडल के अनुसार)।

• टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल फ़ंक्शन: अत्यधिक उच्च शक्ति या सख्त तापमान नियंत्रण आवश्यकताओं (जैसे कुछ प्रक्षेपण प्रकाश स्रोत और वैज्ञानिक-ग्रेड प्रकाश स्रोत) के साथ एलईडी अनुप्रयोगों के लिए, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, पेल्टियर डिवाइस, पेल्टियर तत्व पारंपरिक हीट सिंक की तुलना में अधिक शक्तिशाली और सटीक सक्रिय शीतलन क्षमताएं प्रदान कर सकते हैं, एलईडी जंक्शन तापमान को एक सुरक्षित और कुशल सीमा के भीतर रखते हुए, उच्च चमक आउटपुट, स्थिर स्पेक्ट्रम और अल्ट्रा-लंबी उम्र बनाए रखते हैं।

ii. ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में TEC मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरणों (पेल्टियर कूलर) के अपरिहार्य लाभों की विस्तृत व्याख्या

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

2. कोई गतिशील भाग नहीं और कोई रेफ्रिजरेंट नहीं: ठोस-अवस्था संचालन, कोई कंप्रेसर या प्रशंसक कंपन हस्तक्षेप नहीं, रेफ्रिजरेंट रिसाव का कोई जोखिम नहीं, अत्यंत उच्च विश्वसनीयता, रखरखाव-मुक्त, वैक्यूम और अंतरिक्ष जैसे विशेष वातावरण के लिए उपयुक्त।

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

4. लघुकरण और लचीलापन: कॉम्पैक्ट संरचना (मिलीमीटर-स्तर की मोटाई), उच्च शक्ति घनत्व, और लचीले ढंग से चिप-स्तर, मॉड्यूल-स्तर या सिस्टम-स्तर पैकेजिंग में 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 डिज़ाइन प्राप्त होता है।

iii. अनुप्रयोग मामले और विकास 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 प्लगेबल ऑप्टिकल मॉड्यूल (एसएफपी+, क्यूएसएफपी-डीडी, ओएसएफपी) में किया जाता है ताकि लंबी दूरी के ट्रांसमिशन के दौरान आई पैटर्न गुणवत्ता और बिट त्रुटि दर सुनिश्चित की जा सके।

• LiDAR: ऑटोमोटिव और औद्योगिक LiDAR में एज-एमिटिंग या VCSEL लेजर प्रकाश स्रोतों को पल्स स्थिरता और रेंजिंग सटीकता सुनिश्चित करने के लिए TEC मॉड्यूल थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर, पेल्टियर मॉड्यूल की आवश्यकता होती है, विशेष रूप से उन परिदृश्यों में जो लंबी दूरी और उच्च-रिज़ॉल्यूशन का पता लगाने की मांग करते हैं।

• इन्फ्रारेड थर्मल इमेजर: उच्च-स्तरीय अनकूल्ड माइक्रो-रेडियोमीटर फोकल प्लेन ऐरे (UFPA) को एकल या एकाधिक 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; रेफ्रिजरेटेड मीडियम-वेव/लॉन्ग-वेव 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 संसूचन/रमन स्पेक्ट्रोमीटर: सीसीडी/सीएमओएस कैमरा या फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब (पीएमटी) को ठंडा करने से कमजोर प्रतिदीप्ति/रमन संकेतों की संसूचन सीमा और इमेजिंग गुणवत्ता में काफी वृद्धि होती 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 टीईसी मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल, टीई कूलर द्वारा ठंडा किया जाता है) और कुछ क्वांटम प्रकाश स्रोतों के लिए कम तापमान वाला वातावरण प्रदान करें।

• विकास की प्रवृत्ति: उच्च दक्षता (बढ़ी हुई ZT वैल्यू), कम लागत, छोटे आकार और मजबूत शीतलन क्षमता के साथ थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग मॉड्यूल, थर्मोइलेक्ट्रिक डिवाइस, टीईसी मॉड्यूल का अनुसंधान और विकास; उन्नत पैकेजिंग प्रौद्योगिकियों (जैसे 3 डी 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, पेल्टियर डिवाइस आधुनिक उच्च-प्रदर्शन ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के मुख्य तापीय प्रबंधन घटक बन गए हैं। इनका सटीक तापमान नियंत्रण, ठोस अवस्था विश्वसनीयता, तीव्र प्रतिक्रिया, छोटा आकार और लचीलापन, लेज़र तरंगदैर्ध्य की स्थिरता, डिटेक्टर संवेदनशीलता में सुधार, ऑप्टिकल प्रणालियों में तापीय बहाव का दमन और उच्च-शक्ति एलईडी प्रदर्शन के रखरखाव जैसी प्रमुख चुनौतियों का प्रभावी ढंग से समाधान करते हैं। जैसे-जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक उच्च प्रदर्शन, छोटे आकार और व्यापक अनुप्रयोग की ओर विकसित होती है, TEC मॉड्यूल, पेल्टियर कूलर, पेल्टियर मॉड्यूल एक अपूरणीय भूमिका निभाता रहेगा, और इसकी तकनीक भी बढ़ती हुई माँगों को पूरा करने के लिए निरंतर नवाचार कर रही है।