本發(fā)明屬于量子信息，具體涉及一種適用于光量子芯片的大范圍溫度調(diào)控裝置。

背景技術：

1、光量子芯片是量子通信、量子傳感、量子計算等量子信息技術中的核心關鍵器件，包括鈮酸鋰、硅、氮化硅、磷化銦、鎵鋁砷等多種體系的光量子芯片。光量子芯片集成了多種微納光電器件、量子器件于芯片上，具有體積小、拓展方便和易于操控等特點，是相關量子信息技術實用化與工程化的必由途徑。由于量子態(tài)產(chǎn)生或量子動力學過程對溫度調(diào)控的需求，許多光量子芯片需要多種不同的溫度調(diào)控方式，特別是基于溫度大范圍變化實現(xiàn)波長調(diào)諧的光量子芯片，例如周期極化鈮酸鋰量子光源芯片，便需要溫度的大范圍變化，溫度變化幅度甚至可以跨越幾百開爾文；而有些光量子芯片則需要工作在低溫下，例如一些光量子芯片上面集成了超導器件，則需要幾個開爾文或幾十開爾文的低溫條件。另一方面，低溫下非線性光學效應、量子光學現(xiàn)象的研究越來越受到關注，許多量子光源以及與超導探測器單片集成的光量子芯片都需要在低溫環(huán)境下進行。因此，為了應對光量子芯片多種溫度調(diào)控需求，急需一種具有溫度大范圍變化且可以在低溫和幾百攝氏度控溫的溫度調(diào)控裝置。

2、現(xiàn)有光量子芯片的溫控方案一般只在常溫附近進行調(diào)控，常見方案是通過半導體制冷片(tec)和金屬導熱件等組合的局部溫度控制裝置，該方案只能保障光量子芯片貼近tec那一面相對穩(wěn)定可調(diào)，不能實現(xiàn)芯片整體的溫度控制，當tec設定溫度與環(huán)境溫度相差較大情況下，單純依靠tec和金屬導熱件，工作效率低；還有利用散熱塊、風冷、水冷等組合的被動散熱裝置，該方案的缺點是溫度難以在更低的溫度下工作、溫控精度不高、受環(huán)境溫度影響大。上述這兩種方式溫度調(diào)節(jié)范圍很窄，tec用于冷電極處的低溫加熱和冷卻，溫度范圍為-60℃～80℃(213.15k～353.15k)，風冷水冷等散熱裝置的溫度范圍也在常溫附近，無法為光量子芯片構建低溫條件。

3、光量子芯片將各種光子元件如波導、調(diào)制器和探測器等集成到一個平臺上，與傳統(tǒng)的塊體光學器件相比，具有緊湊性、可擴展性和高集成密度等優(yōu)勢，是量子通信、量子技術、量子精密測量等量子信息技術步入工程化與實用化的必由途徑。而不同光量子芯片的溫度工作范圍與溫度調(diào)控方式差異較大，例如模型光量子芯片需要溫度大范圍變化以實現(xiàn)波長調(diào)諧，而有的光量子芯片由于模型器件需要超導的屬性，則必須在超導臨界溫度以下工作；另一方面，許多光量子芯片對溫度變化很敏感，溫度的變化會影響材料的折射率、熱膨脹系數(shù)等光學性能，導致量子光學器件性能下降甚至失效；或者需要不同調(diào)控改變光量子芯片的溫度以尋找最佳工作溫度。因此，光量子芯片及其附屬器件對溫度調(diào)控的多樣性有著迫切的需求，急需一種可以滿足從低溫幾個開爾文到數(shù)百開爾文的大范圍溫度調(diào)控裝置，并且整體成本較低，可以根據(jù)需求定制溫度調(diào)控區(qū)間，以最大化地減少不必要的硬件成本?，F(xiàn)在主要有兩種溫控方案，一是利用半導體制冷片(tec)和金屬導熱件等組合的局部溫度控制裝置；二是利用散熱塊、風冷、水冷等組合的被動散熱裝置。利用這兩種控溫方式為光量子芯片構建低溫環(huán)境是很困難的。

4、現(xiàn)有方法一：專利“一種基于tec的光子芯片溫控結(jié)構”(發(fā)明專利、cn?106814422a)圖1為一種基于半導體制冷片的溫控結(jié)構，光量子芯片被固定在金屬導熱板上，金屬導熱板上方貼著光量子芯片的基底，金屬導熱板下方貼著tec制冷端，金屬導熱板與tec制冷端之間用導熱膠粘接固定，散熱底座的上端面與tec制冷片的熱端連接。將溫度傳感器置于金屬導熱板內(nèi)部，并與光量子芯片貼近，其輸出端與tec溫度傳感器相連，用來檢測貼近光量子芯片下表層的溫度并反饋給tec溫度傳感器，tec用來實施對光量子芯片制冷或加熱，tec溫度傳感器控制tec的制冷或加熱功率。該方案只能保障光量子芯片貼近tec那一面相對穩(wěn)定可調(diào)，當tec設定溫度與環(huán)境溫度相差較大情況下，單純依靠tec和金屬傳熱，散熱效率低，溫度調(diào)節(jié)響應時間長，控溫不穩(wěn)定，受環(huán)境影響大，并且該溫度傳感器的控溫范圍小，只有-60℃～80℃(213.15k～353.15k)，無法提供373k以上的高溫及200k以下的低溫。

5、現(xiàn)有方法二：專利“一種適用于光芯片的兩級溫度控制裝置”(發(fā)明專利cn116578138?a)該裝置由一級芯片溫控模塊和二級環(huán)境溫控模塊共同組成。圖2為一種在tec基礎上又增加了風冷和水冷裝置組合成的一級光芯片溫控模塊，由金屬導熱塊、水冷液、導液管、水泵、冷排風扇組成導熱模塊配合tec工作，水冷液在金屬導熱塊、水泵和冷排風扇之間循環(huán)流通，可以加快tec加熱端散熱，提高其工作效率和穩(wěn)定性。二級環(huán)境溫控模塊包括封閉式容器、溫度傳感器、溫度傳感器，溫度調(diào)節(jié)執(zhí)行機構，熱量通過水泵和冷排風扇逸散到二級環(huán)境溫控模塊后，溫度傳感器探測到環(huán)境溫度與設置值的溫差大于5℃時，溫度調(diào)節(jié)機構開始制冷縮小這個溫度差，以此保持環(huán)境溫度穩(wěn)定。該方案雖然減小了環(huán)境溫度變化的影響，提高了工作效率和穩(wěn)定性，但該方案的工作溫度范圍依然受限于tec的溫控范圍，只有-60℃～80℃(213.15k～353.15k)，無法為光量子芯片提供幾十k及以下的低溫環(huán)境，也無法提供373k及以上的高溫。

6、通過分析國內(nèi)外與本技術相關的發(fā)表文獻、專利和產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的光量子芯片溫控裝置主要存在溫度調(diào)節(jié)范圍窄、工作效率低、溫度不可精確調(diào)控的問題。利用tec和金屬導熱件等組合的局部溫度控制裝置，該方案只能保障光量子芯片貼近tec那一面相對穩(wěn)定可調(diào)，不能實現(xiàn)芯片整體的溫度控制。當tec設定溫度與環(huán)境溫度相差較大情況下，單純依靠tec和金屬導熱件，工作效率低；利用散熱塊、風冷、水冷等組合的被動散熱裝置，該方案的主要不足是溫度不可精確調(diào)控、且受環(huán)境溫度影響大。并且這兩種方式溫度調(diào)節(jié)范圍很窄，tec加熱用于冷電極處的低溫加熱和冷卻，溫度范圍為-60℃～80℃(213.15k～353.15k)，常用散熱裝置的溫度范圍也在常溫附近，無法為光量子芯片構建幾十k以下的低溫以及373k以上的高溫等條件。另一方滿，低溫下非線性光學效應的研究越來越受到關注，量子光子學中的許多單光子源以及超導探測器都需要在幾個k的低溫條件下進行，因此，這就對光子芯片的溫度調(diào)節(jié)范圍提出更高的要求。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提出了一種適用于光量子芯片的大范圍溫度調(diào)控裝置，設計合理，克服了現(xiàn)有技術的不足，具有良好的效果。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種適用于光量子芯片的大范圍溫度調(diào)控裝置，包括半導體制冷片、金屬陶瓷加熱片和液氦制冷模塊；

4、半導體制冷片，被配置為用于進行控溫；

5、金屬陶瓷加熱片，被配置為用于進行制熱；

6、液氦制冷模塊，被配置為用于為光量子芯片提供低溫環(huán)境。

7、優(yōu)選地，該溫度調(diào)控裝置還包括溫控底座結(jié)構，該溫控底座結(jié)構包括壓片、內(nèi)保溫蓋和金屬導熱基座，光量子芯片通過壓片和內(nèi)保溫蓋固定于金屬導熱基座上；光量子芯片、半導體制冷片和金屬陶瓷加熱片集成在該溫控底座結(jié)構上。

8、優(yōu)選地，壓片通過一個倒斜面壓住光量子芯的邊緣，壓片能夠伸縮，以適配不同寬度的光量子芯片；內(nèi)保溫蓋與光量子芯片之間根據(jù)光量子芯片的特性選擇緊密接觸或留有極小的空隙；當光量子芯片的上表面需要留有一定空隙時，為了進一步固定光量子芯片，在光量子芯片的邊緣，使用橡膠螺絲或其它柔性螺絲，通過內(nèi)保溫蓋上的螺紋孔進行固定。

9、優(yōu)選地，光量子芯片與金屬導熱基座的接觸位置均勻涂抹有一層導熱硅脂或其它導熱材料。

10、優(yōu)選地，光量子芯片的下方設置有開孔a，開孔a處放置有溫度傳感器，溫度傳感器通過導熱膠固定于金屬導熱基座上；溫度傳感器的信號輸出端連接有高精度控制單元，用于實現(xiàn)溫度的精密調(diào)控以及智能控制。

11、優(yōu)選地，開孔a的尺寸略大于溫度傳感器的檢測端直徑。

12、優(yōu)選地，溫度傳感器采用熱敏電阻，熱敏電阻固定在溫控底座結(jié)構上。

13、優(yōu)選地，金屬陶瓷加熱片和半導體制冷片通過導熱膠固定在溫度傳感器的下方凹槽中，金屬陶瓷加熱片和半導體制冷片之間涂抹有一層均勻的導熱膠，金屬陶瓷加熱片和半導體制冷片均與高精度控制單元通過線路連接；金屬陶瓷加熱片和半導體制冷片通過小孔b以及導線與溫度傳感器相連。

14、優(yōu)選地，半導體制冷片的下方設置有微通道散熱器，其包括毛細管和微通道，毛細管用于連接微通道和水冷管道，微通道通過圓形或方形隧道來增加內(nèi)部表面積，用于傳遞熱量；微通道散熱器為螺旋形或菱形分形結(jié)構。

15、優(yōu)選地，液氦制冷模塊，包括壓強傳感器、流阻、黃銅密封堵頭和液氦儲存裝置；液氦儲存裝置的外圍設置有真空層，用于進行保溫；

16、壓強傳感器，被配置為用于檢測液氦減壓管路內(nèi)的壓強并反饋給高精度控制單元；

17、流阻，被配置為用于控制液氦流量；通過適當改變流阻的阻值控制從液氦儲存裝置排出液氦的流量，使溫控裝置得到的冷量穩(wěn)定，從而對樣品進行穩(wěn)定的溫度控制；

18、黃銅密封堵頭，被配置為用于減小液氦超流的影響；

19、液氦儲存裝置，被配置為用于進行液氦的儲存與釋放。

20、本發(fā)明所帶來的有益技術效果：

21、本發(fā)明提出了一種大范圍溫度調(diào)節(jié)的光量子芯片溫控裝置，光量子芯片溫控裝置在tec控溫的基礎上增加了金屬陶瓷加熱片和液氦制冷裝置，相比于現(xiàn)有的光量子芯片溫控裝置，溫度調(diào)制范圍大大拓展，可為光量子芯片提供低溫、常溫或高溫的溫度穩(wěn)定工作環(huán)境，應用范圍更廣；將陶瓷加熱片、半導體制冷片、水冷散熱、減壓泵、減壓液氦制冷裝置等結(jié)構進行有機組合，并通過控制單元進行聯(lián)動控制，可以實現(xiàn)溫度大范圍的連續(xù)調(diào)控；采用具有微通道結(jié)構的散熱器，導熱效率更高，溫度調(diào)節(jié)響應時間更短，溫度調(diào)節(jié)更迅速準確。