CN116578138A - 一种适用于光芯片的两级温度控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种适用于光芯片的两级温度控制装置，适用于光芯片的两级温控，包括一级芯片温控模块、二级环境温控模块，所述一级芯片温控模块，包含两个模块：TEC温控模块、配合TEC工作的导热模块；所述TEC温控模块包括：金属导热板、温度传感器、TEC、TEC温度控制器；所述金属导热板形状和尺寸匹配并大于封装的光芯片，板厚度略大于温度传感器检测端直径，金属导热板上方贴着光芯片的基底，金属导热板下方贴着TEC制冷端，金属导热板与TEC制冷端之间用导热胶粘接固定；二级环境温控模块，包括封闭式容器、第二温度传感器、温度控制器、温度调节执行机构。实现对光芯片灵敏探测、迅速反馈、精准控温，使光芯片工作在温度稳定的环境。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息技术、光电子技术、自动控制和散热技术等领域，具体涉及一种光芯片的温度控制装置。
背景技术
光芯片在量子计算、光计算、光通信等信息处理领域应用广泛，包括硅光芯片、氮化硅光芯片、铌酸锂光芯片等。相较于体块光学方案，光芯片集成了多种微纳光电器件于芯片上，具有体积小、扩展方便、稳定性好和操控性强等优点。对光芯片的操控，通常是对芯片上的光相移器施加电信号，利用热光效应等对其中的光相位进行控制。操控过程要求光芯片的整体温度保持恒定，并且能够实现迅速精准调节反馈。随着光芯片规模增大，相移器数量增多，芯片功率变大，热串扰、芯片温度不稳定等问题凸显，将会使光芯片操控准确性变差、运行不稳定。因此，如何使光芯片整体温度恒定、实现精准调控成为对光芯片稳定运行的必要条件。
已有对光芯片的温度控制方案，其一是利用散热块、风冷、水冷等组合的被动散热装置，该方案的主要不足是温度不可精确调控、且受环境温度影响大；其二是利用半导体制冷器(TEC)和金属导热件等组合的局部温度控制装置，该方案只能保障光芯片贴近TEC那一面相对稳定可调，不能实现芯片整体的温度控制，再有当TEC设定温度与环境温度相差较大情况下，单纯依靠TEC和金属导热件，工作效率低。
发明内容
本发明目的：为解决上述光芯片受环境温度影响大、整体温度不稳定、不可精确调控、工作效率低等问题，提供了一种适用于光芯片的两级温度控制装置，可实现光芯片不受环境影响、整体温度稳定，对其精准调控、反馈迅速。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种适用于光芯片的两级温度控制装置，包括一级芯片温控模块、二级环境温控模块，具体的(如图1)：所述一级芯片温控模块，包含两个模块：TEC温控模块、配合TEC工作的导热模块。
所述TEC温控模块包括：金属导热板、温度传感器、TEC、TEC温度控制器；所述金属导热板形状和尺寸匹配并大于封装的光芯片，板厚度略大于温度传感器检测端直径，金属导热板上方贴着光芯片的基底，金属导热板下方贴着TEC制冷端，金属导热板与TEC制冷端之间用导热胶粘接固定；温度传感器置于金属导热板内部，并与光芯片贴近，温度传感器信号输出端与TEC温度控制器相连；所述TEC加热端朝下，其TEC输入导线与TEC温度控制器输出相连接；温度传感器用来检测贴近光芯片下表层的温度并反馈给TEC温度控制器，TEC用来实施对光芯片制冷或加热，TEC温度控制器控制TEC的制冷或加热功率；
所述配合TEC工作的导热模块包括金属导热块、水冷液、导液管、水泵、冷排风扇。所述金属导热块包含一个水冷头，该水冷头上表面面积较TEC略大，置于TEC下方，通过导热胶与TEC加热端固定粘接，水冷头内部中空；所述水泵提供水压，促使水冷液通过导液管在金属导热块内的水冷头、水泵、冷排风扇之间流通循环，其出水口通过导液管与水冷头进水口相连，其进水口通过导液管与冷排风扇出水口相连；所述冷排风扇，内含细密管道，通过风扇转动可加速管道内水冷液与周边空气的热交换，其进水口通过导液管与水冷头出水口相连；一般不采用风扇直接对TEC加热端散热。因为TEC靠近光芯片，光芯片常耦合有光纤阵列，风吹动光纤将引起光纤中光的偏振和相位等参数不稳定。金属导热块采用铜、铝及组合均可。
所述二级环境温控模块，包括封闭式容器、第二温度传感器、温度控制器、温度调节执行机构；所述封闭式容器的一个窗口安装温度调节执行机构，内部放置有光芯片和一级芯片温控模块，使得容器内构成与外界相对隔热的环境；所述第二温度传感器置于可封闭式容器内，用来检测容器内温度，并反馈给温度控制器；所述温度控制器通过检测第二温度传感器的温度并结合设定温度来控制温度调节执行机构；所述温度调节执行机构可调节容器内与容器外环境的热传导功率，执行吸热或者散热，最终达到控制封闭式容器内温度并达到稳定的目的。
温度调节执行机构采用冷热空调。在实际应用中，还可采用过TEC和风扇组合等。
当TEC温度控制器监控到温度传感器测量到芯片的温度大于设定温度值时，TEC温度控制器控制TEC制冷，热量从芯片及下方金属导热板传到TEC制冷端，再到TEC加热端，再到金属导热块及其中水冷头，再到水泵及冷排风扇，再逸散到二级环境温控模块的内部环境空气中，二级环境温控模块探测到的温度到与设定值的相差大于0.5℃时，二级环境温控模块开始制冷来缩小这个温差。当TEC温度控制器监控到温度传感器测量到芯片的温度小于设定温度值时，TEC温度控制器控制TEC加热，热量流动方向相反。一级芯片温控模块的温度控制精度可达±0.01℃。二级环境温控模块的温度控制精度可达±0.5℃。一般情况下，水冷液的温度是跟二级温控模块内部环境温度一样或接近的。
温度传感器选用NTC(负温度系数)热敏电阻。
本发明的有益效果：采用一级芯片温控模块，贴近芯片，可实现对光芯片的灵敏探测、迅速反馈、精准控温，进而实现对光芯片温度的精准操控。采用二级环境温控模块，内部容纳光芯片及一级芯片温控模块，为光芯片整体提供稳定的工作环境温度，从而使光芯片不再受外部大环境温度变化的影响。对光芯片(如图4所示)的温度控制精度可达±0.01℃，进而使得利用热光效应等对光芯片的光相位进行准确的控制。本发明的操控过程要求光芯片的整体温度保持恒定，并且能够实现迅速精准调节反馈。对光芯片的热光效应和热调制应用带来很大的便利。
附图说明
图1是本发明一种适用于光芯片的两级温度控制装置的理论示意图。
图2是本发明一种适用于光芯片的两级温度控制装置的实施例装置图。
图3是本发明一级芯片双向温控模块的实施例理论示意图。
图4是本发明实施例可适用的一种硅基光量子芯片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细具体阐述，显然所选用实施例仅用于辅助解说本发明而非用于限制本发明的范围。基于本发明公开的范围之内所作的等价修改、等同替换，均包含在本发明申请所附权利要求所限定的范围内。
一种适用于光芯片的两级温度控制装置(如图2)，包括一级芯片温控模块、二级环境温控模块，具体的：所述一级芯片温控模块(如图3)，包含两个模块：TEC温控模块、配合TEC工作的导热模块。光芯片1、导液管2、水泵3、风扇4、二级环境温控模块5、上位机6、铜块7、TEC温度控制器8、TEC 9。TEC热端9-1TEC冷端9-2、铜片10、NTC热敏电阻11、水冷头12；1-1金线、1-2热光相移器、1-3光波导、1-4硅衬底。
所述TEC温控模块包括：金属导热板、温度传感器、TEC、TEC温度控制器；金属导热板采用铜板，铜板形状和尺寸根据光芯片封装情况专门定做，其厚度略大于温度传感器检测端直径，铜板上方贴着光芯片基底，铜板下方贴着TEC制冷端，铜板与TEC之间用导热胶粘接固定；温度传感器置于铜板内部，并与光芯片贴近，温度传感器信号输出端与TEC温度控制器相连；TEC包含相互贴合的制冷片和加热片两端，制冷端朝上靠近光量子芯片，加热端朝下，其制冷和加热两端导线与TEC温度控制器相连。
其中，铜板作为均温板，导热性能好，并用于固定或转接光芯片、温度传感器和TEC。温度传感器用来检测贴近光芯片下表层的温度并反馈给TEC温度控制器，TEC用来实施对芯片制冷或加热，TEC温度控制器控制TEC的制冷或加热功率。
所述配合TEC工作的导热模块包括金属导热块、水冷液、导液管、水泵、冷排风扇。金属导热块采用铜块，铜块内包含一个铜质水冷头，该水冷头上表面面积较TEC略大，置于TEC下方，通过导热胶与TEC加热端固定粘接，水冷头内部中空；所述水泵提供水压，促使水冷液通过导液管在金属导热块内的水冷头、水泵、冷排风扇之间流通循环，其出水口通过导液管与水冷头进水口相连，其进水口通过导液管与冷排风扇出水口相连；冷排风扇，内含细密管道，通过风扇转动可加速管道内水冷液与周边空气的热交换，其进水口通过导液管与水冷头出水口相连；一般不采用风扇直接对TEC加热端散热，因为TEC靠近光芯片，光芯片常耦合有光纤阵列，风吹动光纤将引起光纤中光的偏振和相位等参数不稳定。
所述二级环境温控模块，包括封闭式容器、第二温度传感器、温度控制器、温度调节执行机构；所述封闭式容器的一个窗口安装温度调节执行机构，内部放置有光芯片和一级芯片温控模块，使得容器内构成与外界相对隔热的环境；所述第二温度传感器置于可封闭式容器内，用来检测容器内温度，并反馈给温度控制器；所述温度控制器通过检测第二温度传感器的温度并结合设定温度来控制温度调节执行机构；所述温度调节执行机构可调节容器内与容器外环境的热传导功率，执行吸热或者散热，最终达到控制封闭式容器内温度并达到稳定的目的。当TEC温度控制器监控到温度传感器测量到芯片的温度大于设定温度值时，TEC温度控制器控制TEC制冷，热量从芯片及下方铜板传到TEC制冷端，再到TEC加热端，再到铜块及其中水冷头，再到水泵及冷排风扇，再逸散到二级环境温控模块内部环境空气中，二级环境温控模块探测到与设定温度值的温差大于0.5℃时，二级环境温控模块开始致冷缩小这个温差。当TEC温度控制器监控到温度传感器测量到芯片的温度小于设定温度值时，TEC温度控制器控制TEC加热(TEC器件的电流方向决定了热端与冷端能互换)，热量流动方向相反。
TEC温控设置的温度是根据要测试芯片目标性能来设定：譬如标定等臂Mach-Zehnder干涉仪上相移器，我们设置25℃，标定用于滤波的不等臂Mach-Zehnder干涉仪上相移器，我们设置29℃。二级环境温控设置的温度值一般采用TEC温控设置的温度。
优选的，温度传感器选用NTC热敏电阻，可选型AMETHERM ACC104。
优选的，导热胶可选用高热导率的导热硅脂，填充之间间隙，加速导热。
优选的，TEC可选型TEC-12709，功率约77W，外形尺寸40*40*3.5mm。针对本发明实验中应用一款光芯片具有270个热相移器，产热功率可高达近40W，配合选型的TEC-12709。
优选的，TEC温度控制器可选型TCM-M115，分辨率和稳定性可达0.002℃，可与上位机相连，方便实时显示、控制、记录数据。
优选的，水泵可选型SC-P67D，最大扬程为4米。
优选的，水冷液可选型B-IWCF-X，为绝缘水冷液。
优选的，冷排风扇可选型240V2-RGB。
优选的，封闭式容器可以是标准机柜。
优选的，可选型MRAC-02，一款配机柜的温湿度调控***，包含温度传感器、温度控制器、温度调节执行机构。
一级芯片温控模块的整体温度控制精度可达±0.01℃，二级环境温控模块的温度控制精度可达±0.5℃。
一种如实施例适用的光芯片，现给出如下示例(如图4)：
该硅基光量子芯片长宽均为毫米级别，通过两根金线给每个热光相移器施加电信号，使该热光相移器温度改变，进而改变相对应光波导的折射率，达到控制波导中的光相位的目的，最终实现对该硅基光量子芯片功能的操控。硅材料具有较高的热导率和热光系数，要求整个操控过程芯片处于恒温环境，对光芯片能够灵敏探测、迅速反馈、精准控温。
以上实施例只为了更清楚明白的阐述本发明，而不是为了限制本发明的范围，基于本发明的精神和原则上所作的任何修改、等价替换，均包含在本发明申请所附权利要求所限定的范围内。
Claims (5)
1.一种适用于光芯片的两级温度控制装置，其特征是，包括一级芯片温控模块、二级环境温控模块，所述一级芯片温控模块，包含两个模块：TEC温控模块、配合TEC工作的导热模块；
所述TEC温控模块包括：金属导热板、温度传感器、TEC、TEC温度控制器；所述金属导热板形状和尺寸匹配并大于封装的光芯片，导热板厚度大于温度传感器检测端直径，金属导热板上方贴着光芯片的基底，金属导热板下方贴着TEC制冷端，金属导热板与TEC制冷端之间用导热胶粘接固定；温度传感器置于金属导热板内部，并与光芯片贴近，温度传感器信号输出端与TEC温度控制器相连；所述TEC加热端朝下，其TEC输入导线与TEC温度控制器输出相连接；温度传感器用来检测贴近光芯片下表层的温度并反馈给TEC温度控制器，TEC用来实施对光芯片制冷或加热，TEC温度控制器控制TEC的制冷或加热功率；
所述配合TEC工作的导热模块包括金属导热块、水冷液、导液管、水泵、冷排风扇。所述金属导热块包含一个水冷头，该水冷头上表面面积较TEC略大，置于TEC下方，通过导热胶与TEC加热端固定粘接，水冷头内部中空；所述水泵提供水压，促使水冷液通过导液管在金属导热块内的水冷头、水泵、冷排风扇之间流通循环，其出水口通过导液管与水冷头进水口相连，其进水口通过导液管与冷排风扇出水口相连；所述冷排风扇，内含细密管道，通过风扇转动可加速管道内水冷液与周边空气的热交换，其进水口通过导液管与水冷头出水口相连；
所述二级环境温控模块，包括封闭式容器、第二温度传感器、温度控制器、温度调节执行机构；所述封闭式容器的一个窗口安装温度调节执行机构，内部放置有光芯片和一级芯片温控模块，使得容器内构成与外界相对隔热的环境；所述第二温度传感器置于可封闭式容器内，用来检测容器内温度，并反馈给温度控制器；所述温度控制器通过检测第二温度传感器的温度并结合设定温度来控制温度调节执行机构；所述温度调节执行机构可调节容器内与容器外环境的热传导功率，执行吸热或者散热，最终达到控制封闭式容器内温度并达到稳定的目的。
2.根据权利要求1所述的适用于光芯片的两级温度控制装置，其特征是，温度调节执行机构采用空调热交换器。
3.根据权利要求1所述的适用于光芯片的两级温度控制装置，其特征是，当TEC温度控制器监控到温度传感器测量到芯片的温度大于设定温度值时，TEC温度控制器控制TEC制冷，热量从芯片及下方金属导热板传到TEC制冷端，再到TEC加热端，再到金属导热块及其中水冷头，再到水泵及冷排风扇，再逸散到二级环境温控模块内部环境空气中，二级环境温控模块探测到的温度到与设定值的相差大于0.5℃时，二级环境温控模块开始制冷来缩小这个温差。当TEC温度控制器监控到温度传感器测量到芯片的温度小于设定温度值时，TEC温度控制器控制TEC加热，热量流动方向相反。
4.根据权利要求1所述的适用于光芯片的两级温度控制装置，其特征是，温度传感器选用NTC热敏电阻。
5.根据权利要求1所述的适用于光芯片的两级温度控制装置，其特征是，一级芯片温控模块的温度控制精度可达±0.01℃。二级环境温控模块的温度控制精度可达±0.5℃。
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| CN117091316A (zh) * | 2023-10-19 | 2023-11-21 | 成都电科星拓科技有限公司 | 高低温工况模拟模块、芯片可靠性自动化测试***及方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |