一种适用于光量子芯片的大范围温度调控装置的制作方法

本发明属于量子信息，具体涉及一种适用于光量子芯片的大范围温度调控装置。

背景技术：

1、光量子芯片是量子通信、量子传感、量子计算等量子信息技术中的核心关键器件，包括铌酸锂、硅、氮化硅、磷化铟、镓铝砷等多种体系的光量子芯片。光量子芯片集成了多种微纳光电器件、量子器件于芯片上，具有体积小、拓展方便和易于操控等特点，是相关量子信息技术实用化与工程化的必由途径。由于量子态产生或量子动力学过程对温度调控的需求，许多光量子芯片需要多种不同的温度调控方式，特别是基于温度大范围变化实现波长调谐的光量子芯片，例如周期极化铌酸锂量子光源芯片，便需要温度的大范围变化，温度变化幅度甚至可以跨越几百开尔文；而有些光量子芯片则需要工作在低温下，例如一些光量子芯片上面集成了超导器件，则需要几个开尔文或几十开尔文的低温条件。另一方面，低温下非线性光学效应、量子光学现象的研究越来越受到关注，许多量子光源以及与超导探测器单片集成的光量子芯片都需要在低温环境下进行。因此，为了应对光量子芯片多种温度调控需求，急需一种具有温度大范围变化且可以在低温和几百摄氏度控温的温度调控装置。

2、现有光量子芯片的温控方案一般只在常温附近进行调控，常见方案是通过半导体制冷片(tec)和金属导热件等组合的局部温度控制装置，该方案只能保障光量子芯片贴近tec那一面相对稳定可调，不能实现芯片整体的温度控制，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；还有利用散热块、风冷、水冷等组合的被动散热装置，该方案的缺点是温度难以在更低的温度下工作、温控精度不高、受环境温度影响大。上述这两种方式温度调节范围很窄，tec用于冷电极处的低温加热和冷却，温度范围为-60℃～80℃(213.15k～353.15k)，风冷水冷等散热装置的温度范围也在常温附近，无法为光量子芯片构建低温条件。

3、光量子芯片将各种光子元件如波导、调制器和探测器等集成到一个平台上，与传统的块体光学器件相比，具有紧凑性、可扩展性和高集成密度等优势，是量子通信、量子技术、量子精密测量等量子信息技术步入工程化与实用化的必由途径。而不同光量子芯片的温度工作范围与温度调控方式差异较大，例如模型光量子芯片需要温度大范围变化以实现波长调谐，而有的光量子芯片由于模型器件需要超导的属性，则必须在超导临界温度以下工作；另一方面，许多光量子芯片对温度变化很敏感，温度的变化会影响材料的折射率、热膨胀系数等光学性能，导致量子光学器件性能下降甚至失效；或者需要不同调控改变光量子芯片的温度以寻找最佳工作温度。因此，光量子芯片及其附属器件对温度调控的多样性有着迫切的需求，急需一种可以满足从低温几个开尔文到数百开尔文的大范围温度调控装置，并且整体成本较低，可以根据需求定制温度调控区间，以最大化地减少不必要的硬件成本。现在主要有两种温控方案，一是利用半导体制冷片(tec)和金属导热件等组合的局部温度控制装置；二是利用散热块、风冷、水冷等组合的被动散热装置。利用这两种控温方式为光量子芯片构建低温环境是很困难的。

4、现有方法一：专利“一种基于tec的光子芯片温控结构”(发明专利、cn 106814422a)图1为一种基于半导体制冷片的温控结构，光量子芯片被固定在金属导热板上，金属导热板上方贴着光量子芯片的基底，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，散热底座的上端面与tec制冷片的热端连接。将温度传感器置于金属导热板内部，并与光量子芯片贴近，其输出端与tec温度传感器相连，用来检测贴近光量子芯片下表层的温度并反馈给tec温度传感器，tec用来实施对光量子芯片制冷或加热，tec温度传感器控制tec的制冷或加热功率。该方案只能保障光量子芯片贴近tec那一面相对稳定可调，当tec设定温度与环境温度相差较大情况下，单纯依靠tec和金属传热，散热效率低，温度调节响应时间长，控温不稳定，受环境影响大，并且该温度传感器的控温范围小，只有-60℃～80℃(213.15k～353.15k)，无法提供373k以上的高温及200k以下的低温。

5、现有方法二：专利“一种适用于光芯片的两级温度控制装置”(发明专利cn116578138 a)该装置由一级芯片温控模块和二级环境温控模块共同组成。图2为一种在tec基础上又增加了风冷和水冷装置组合成的一级光芯片温控模块，由金属导热块、水冷液、导液管、水泵、冷排风扇组成导热模块配合tec工作，水冷液在金属导热块、水泵和冷排风扇之间循环流通，可以加快tec加热端散热，提高其工作效率和稳定性。二级环境温控模块包括封闭式容器、温度传感器、温度传感器，温度调节执行机构，热量通过水泵和冷排风扇逸散到二级环境温控模块后，温度传感器探测到环境温度与设置值的温差大于5℃时，温度调节机构开始制冷缩小这个温度差，以此保持环境温度稳定。该方案虽然减小了环境温度变化的影响，提高了工作效率和稳定性，但该方案的工作温度范围依然受限于tec的温控范围，只有-60℃～80℃(213.15k～353.15k)，无法为光量子芯片提供几十k及以下的低温环境，也无法提供373k及以上的高温。

6、通过分析国内外与本技术相关的发表文献、专利和产品发现，现有的光量子芯片温控装置主要存在温度调节范围窄、工作效率低、温度不可精确调控的问题。利用tec和金属导热件等组合的局部温度控制装置，该方案只能保障光量子芯片贴近tec那一面相对稳定可调，不能实现芯片整体的温度控制。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；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。并且这两种方式温度调节范围很窄，tec加热用于冷电极处的低温加热和冷却，温度范围为-60℃～80℃(213.15k～353.15k)，常用散热装置的温度范围也在常温附近，无法为光量子芯片构建几十k以下的低温以及373k以上的高温等条件。另一方满，低温下非线性光学效应的研究越来越受到关注，量子光子学中的许多单光子源以及超导探测器都需要在几个k的低温条件下进行，因此，这就对光子芯片的温度调节范围提出更高的要求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种适用于光量子芯片的大范围温度调控装置，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于光量子芯片的大范围温度调控装置，包括半导体制冷片、金属陶瓷加热片和液氦制冷模块；

4、半导体制冷片，被配置为用于进行控温；

5、金属陶瓷加热片，被配置为用于进行制热；

6、液氦制冷模块，被配置为用于为光量子芯片提供低温环境。

7、优选地，该温度调控装置还包括温控底座结构，该温控底座结构包括压片、内保温盖和金属导热基座，光量子芯片通过压片和内保温盖固定于金属导热基座上；光量子芯片、半导体制冷片和金属陶瓷加热片集成在该温控底座结构上。

8、优选地，压片通过一个倒斜面压住光量子芯的边缘，压片能够伸缩，以适配不同宽度的光量子芯片；内保温盖与光量子芯片之间根据光量子芯片的特性选择紧密接触或留有极小的空隙；当光量子芯片的上表面需要留有一定空隙时，为了进一步固定光量子芯片，在光量子芯片的边缘，使用橡胶螺丝或其它柔性螺丝，通过内保温盖上的螺纹孔进行固定。

9、优选地，光量子芯片与金属导热基座的接触位置均匀涂抹有一层导热硅脂或其它导热材料。

10、优选地，光量子芯片的下方设置有开孔a，开孔a处放置有温度传感器，温度传感器通过导热胶固定于金属导热基座上；温度传感器的信号输出端连接有高精度控制单元，用于实现温度的精密调控以及智能控制。

11、优选地，开孔a的尺寸略大于温度传感器的检测端直径。

12、优选地，温度传感器采用热敏电阻，热敏电阻固定在温控底座结构上。

13、优选地，金属陶瓷加热片和半导体制冷片通过导热胶固定在温度传感器的下方凹槽中，金属陶瓷加热片和半导体制冷片之间涂抹有一层均匀的导热胶，金属陶瓷加热片和半导体制冷片均与高精度控制单元通过线路连接；金属陶瓷加热片和半导体制冷片通过小孔b以及导线与温度传感器相连。

14、优选地，半导体制冷片的下方设置有微通道散热器，其包括毛细管和微通道，毛细管用于连接微通道和水冷管道，微通道通过圆形或方形隧道来增加内部表面积，用于传递热量；微通道散热器为螺旋形或菱形分形结构。

15、优选地，液氦制冷模块，包括压强传感器、流阻、黄铜密封堵头和液氦储存装置；液氦储存装置的外围设置有真空层，用于进行保温；

16、压强传感器，被配置为用于检测液氦减压管路内的压强并反馈给高精度控制单元；

17、流阻，被配置为用于控制液氦流量；通过适当改变流阻的阻值控制从液氦储存装置排出液氦的流量，使温控装置得到的冷量稳定，从而对样品进行稳定的温度控制；

18、黄铜密封堵头，被配置为用于减小液氦超流的影响；

19、液氦储存装置，被配置为用于进行液氦的储存与释放。

20、本发明所带来的有益技术效果：

21、本发明提出了一种大范围温度调节的光量子芯片温控装置，光量子芯片温控装置在tec控温的基础上增加了金属陶瓷加热片和液氦制冷装置，相比于现有的光量子芯片温控装置，温度调制范围大大拓展，可为光量子芯片提供低温、常温或高温的温度稳定工作环境，应用范围更广；将陶瓷加热片、半导体制冷片、水冷散热、减压泵、减压液氦制冷装置等结构进行有机组合，并通过控制单元进行联动控制，可以实现温度大范围的连续调控；采用具有微通道结构的散热器，导热效率更高，温度调节响应时间更短，温度调节更迅速准确。