GaAs/A1GaAs材料V型腔可调谐激光器的设计制作及在生物检测上的应用

GaAs/A1GaAs材料V型腔可调谐激光器的设计制作及在生物检测上的应用

论文摘要

在现今的社会中,由于人们生活习惯和饮食问题,心脑血管疾病的患者人数逐年增长,已经极大地影响到了人类的健康和生存情况,对心血管疾病的预防和诊治成为人们亟需解决的重要问题之一。在众多解决措施之中,如何在早期准确的预测和预防是最具成本效益的方案,基于GaAs/AlGaAs材料的可调谐激光器凭借其对应于生命检测波段的出光波长、优秀的单纵模和波长可变的性能,半导体器件易于集成的特性,可以随时随地有效的监测人体血液各项重要参数,成为对抗心血管疾病的关键。本文主要研究基于GaAs/AlGaAs材料的V型腔可调谐激光器的结构设计、工艺制作、性能测试和在人体血液检测中的应用。本文首先介绍了V型腔激光器的基本结构组成和工作原理,推导了V型腔激光器的阈值条件。根据激光器的需求,设计了量子阱结构和晶片层状结构,优化了激光器的波导结构和V型腔结构,得到最大的波长可调谐范围,对应激光器结构优化了半波耦合器的尺寸,得到激光器输出最佳的边模抑制比。之后我们详细介绍了在GaAs/AlGaAs材料上,V型腔激光器的工艺制作流程。针对光刻工艺、波导/反射面深刻蚀区刻蚀工艺、平坦化工艺、正N/背面电极工艺和晶片背面减薄抛光工艺都作了分析,特别针对刻蚀工艺,针对其掩模的选择、干湿法工艺的选择、干法刻蚀配方的选择和优化做了详细的分析。最后我们成功制作出了基于GaAs/AlGaAs材料的V型腔激光器。然后我们详述了激光器的性能测试。介绍了激光器测试的系统结构和设备组成。通过对F-P激光器的测试,了解GaAs/AlGaAs材料上激光器的IV、IP特性和腔镜面损伤的现象,分析了干湿法刻蚀工艺对腔镜面损伤闽限的影响。介绍了V型腔激光器调谐过程的载流子注入效应和热效应的作用机理,测试了两种效应下V型腔激光器的调谐性能,在载流子注入效应作用下,激光器输出边模抑制比31dB,配合温度控制,激光器可调谐27个信道,调谐范围8.2nm,在热效应的作用下,激光器输出边模抑制比36dB,单个温度下,激光器可调谐31个信道,配合温度控制,可调谐60个信道,调谐范围22.4nm。我们提出了一个反射式人体血液检测系统,介绍了在这个系统中测试血氧饱和度和血流速度的原理,将V型腔激光器用于这个系统之中,并测得了实验结果。提出了调频连续波技术检测人体血糖浓度的方案,搭建了原理性检测实验系统,测得了一些实验结果并做了分析。最后是对激光器设计制作和在生物检测上的应用进行下一步工作的展望。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 砷化镓材料可调谐激光器简介
  • 1.2 砷化镓材料可调谐激光器在人体血液检测上的应用
  • 1.3 砷化镓材料可调谐激光器的实现
  • 1.3.1 外腔激光器
  • 1.3.2 垂直腔面发射激光器
  • 1.3.3 光栅结构激光器
  • 1.4 V型耦合腔激光器
  • 1.5 本论文研究要点和创新点
  • 1.5.1 本论文的章节安排
  • 1.5.2 本论文主要创新点
  • 第二章 砷化镓材料V型腔激光器的设计
  • 2.1 V型腔激光器的结构
  • 2.1.1 V型耦合腔
  • 2.1.2 半波耦合器
  • 2.2 V型腔激光器的阈值方程
  • 2.3 V型腔激光器参数设计与优化
  • 2.3.1 层状结构设计
  • 2.3.2 波导设计
  • 2.3.3 V型腔结构设计
  • 2.3.4 半波耦合器结构设计
  • 第三章 砷化镓材料V型腔激光器的制作工艺
  • 3.1 工艺流程总览
  • 3.2 晶片表面预处理
  • 3.3 光刻工艺
  • 3.3.1 正胶光刻
  • 3.3.2 负胶光刻
  • 3.4 刻蚀工艺
  • 3.4.1 掩模的选择
  • 3.4.2 干湿法刻蚀比较
  • 3.4.3 干法刻蚀介绍
  • 3.4.4 干法刻蚀气体的选择
  • 3.4.5 干法刻蚀配方的优化
  • 3.4.6 湿法刻蚀辅助刻蚀波导
  • 3.5 平坦化
  • 3.6 正面电极与背面电极
  • 3.7 晶片背面减薄与抛光
  • 3.8 V型腔激光器成品
  • 第四章 砷化镓材料V型腔激光器性能测试
  • 4.1 测试系统介绍
  • 4.2 F-P激光器测试
  • 4.2.1 激光器IV、IP性能测试
  • 4.2.2 腔镜面损伤
  • 4.3 V型腔激光器测试
  • 4.3.1 V型腔激光器波长调谐机理
  • 4.3.2 载流子注入效应测试
  • 4.3.3 载流子注入寄生热效应测试
  • 4.3.4 二维电流扫描结果
  • 第五章 反射式无创人体血液检测系统
  • 5.1 血氧饱和度与脉搏检测
  • 5.1.1 血氧饱和度检测原理
  • 5.1.2 血氧饱和度检测系统
  • 5.1.3 激光器在检测系统中的应用
  • 5.2 血流速度检测
  • 5.2.1 多普勒血流速度检测原理
  • 5.2.2 血流速度检测实验
  • 5.2.3 血流速度检测结果
  • 5.2.4 双参数血液检测系统
  • 5.3 血糖浓度检测
  • 5.3.1 人体皮肤组织结构与光学特性
  • 5.3.2 调频连续波在血糖检测中的应用
  • 5.3.3 血糖浓度检测实验研究
  • 第六章 总结与展望
  • 6.1 总结
  • 6.2 进一步工作展望
  • 作者简介
  • 参考文献
  • 相关论文文献

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