用于生物检测的720nm波段V型腔激光器以及钙钛矿激光器的设计制作

摘要

时代发展日新月异，人类对医疗健康发展的关注热情却从未冷却。随着科技水平的日益先进，人们的健康观念已开始逐渐由被动治疗转变为主动监测与预防，而智能可穿戴医疗技术的飞速发展，极大地迎合了人们的日常医疗健康检测需求，让生理体征检测变得更加方便快捷。在生物医疗传感领域，半导体激光器由于其性能优越、体积小、成本低以及易于集成等优点而扮演着至关重要的角色，但是针对可见光波段的可调谐半导体激光器在医疗传感领域的研究却不太多。基于此，本课题提出了利用单个720 nm波段可调谐激光器来同时实现人体血氧饱和度和血流速度检测的方案，并利用设计制作的GaAs/AlGaAs材料的Ⅴ型腔激光器验证了方案的可行性。传统的能够同时实现血氧饱和度和血流速度测量的方案需要至少两个光源，并且常常具有体积笨重、结构复杂以及成本高昂等缺点，而本课题提出的测量方案仅需要单个光源，且Ⅴ型腔激光器具有控制算法简单、体积小和成本低的特点，因此极具应用前景。另外，针对性能优越且成本低廉的新型半导体材料钙钛矿，本文还研究设计了以钙钛矿材料为增益介质的光泵浦分布反馈激光器，并对相应的制作工艺进行了研究和优化。
　　论文首先通过朗伯-比尔定律和光子扩散方程，分别对透射式和反射式血氧饱和度检测原理进行了理论推导，获得了同样的血氧饱和度计算公式。而后提出了利用单个可调谐激光器实现血氧饱和度检测的方案，通过对方案进行理论分析、讨论和横向比较，得知若激光器的调谐范围为14nm，调谐起始波长位于700-720nm之间时，方案具有可行性。另外以多普勒效应为基础介绍了血流速度检测原理，具有单色性特点的激光器还可以同时用来测量血流速度。
　　接着为了实现激光器在720 nm波段的激射，设计了非应变AlGaAs/AlGaAs和张应变GaAsP/AlGaAs量子阱。通过理论计算，确定了符合条件的量子阱结构是阱宽为4 nm的Al0.18Ga0.82As/Al0.45Ga0.55As量子阱和阱宽为3 nm的GaAs0.86P0.14/Al0.45Ga0.55As。经过综合考虑，选择Al0.18Ga0.82As/Al0.45Ga0.55As量子阱，并详细设计了晶圆的层状结构，还对Ⅴ型腔激光器进行了参数设计与优化，包括波导结构设计和半波耦合器参数确定。
　　之后详细介绍了基于GaAs/AlGaAs材料的Ⅴ型腔激光器的工艺制作流程。对光刻、刻蚀、平坦化、电极制作和晶片减薄抛光等工艺流程均作了详细分析和讨论。在对工艺制作流程进行优化并最终成功制作出Ⅴ型腔激光器之后，我们对激光器进行了一系列的性能测试。比如FP激光器的IV、IP特性测试，不同腔长差的Ⅴ型腔激光器在不同调谐机理作用下的调谐性能。在热效应调谐情况下，我们制作的5％腔长差的激光器可调谐42个信道，调谐范围达到14.1 nm，相应的调谐波长从710.3 nm到724.4 nm，边模抑制比均高于29 dB，满足单光源检测方案对激光器性能的要求。
　　然后搭建了血氧饱和度和血流速度检测系统，对系统的各个模块进行了详细介绍。利用小波变换原理对采集到的原始脉搏波信号进行了工频噪声和基频漂移去除处理。在血氧饱和度检测方面，对系统进行了血氧定标实验，确定系统的血氧饱和度经验公式，并通过“憋气实验”验证了系统对血氧饱和度检测的有效性。另外通过臂带加压的方法，利用系统光源在724.4 nm处的激射波长，实现了对人体指尖的血流速度检测，测量结果与商用激光多普勒血流仪完好符合，验证了系统对血流速度检测的有效性。
　　在论文最后，针对具有良好光学增益特性和低成本特点的新型半导体材料钙钛矿，介绍了其在激光领域的研究现状，并设计了能实现边缘出射的光泵浦钙钛矿分布反馈激光器，之后又对相应的制作工艺流程进行了研究和优化。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 血氧饱和度检测的意义和发展

1．3 血流速度检测的意义和发展

1．4 可调谐激光器的发展

1．5 本文的研究目的、内容和创新点

1．5．1 本文研究目的和意义

1．5．2 本文章节安排

1．5．3 本文创新点

2 单光源实现血氧饱和度和血流速度检测的原理分析

2．1 血氧饱和度检测原理

2．2 单光源实现血氧饱和度检测的理论分析

2．3 血流速度检测原理

2．4 本章小结

3 V型腔激光器的量子阱和结构设计

3．1 量子阱设计

3．1．1 势阱和势垒材料的选取

3．1．2 量子阱带隙计算

3．1．3 带边不连续性和有效质量的计算

3．1．4 量子阱能级的计算以及组分和阱宽的确定

3．2 层状结构设计

3．3 V型腔激光器工作原理

3．3．1 游标效应作用

3．3．2 阈值条件分析

3．4 V型腔激光器结构设计与优化

3．4．1 波导结构设计

3．4．2 半波耦合器设计

3．5 本章小结

4 制作工艺研究

4．1 工艺流程总览

4．2 晶片表面预处理

4．3 光刻工艺

4．3．1 正胶光刻

4．3．2 负胶光刻

4．4 刻蚀工艺

4．4．1 掩模选择

4．4．2 干法刻蚀

4．4．3 湿法刻蚀

4．5 平坦化

4．6 正面电极和背面电极制作

4．7 减薄与抛光

4．8 本章小结

5 激光器性能测试

5．1 测试平台介绍

5．2 FP激光器性能测试

5．2．1 LI、IV性能测试

5．2．2 腔镜面损伤测试

5．3 V型腔激光器测试

5．3．1 调谐机理分析

5．3．2 热效应波长切换性能测试

5．3．3 载流子注入调谐性能测试

5．3．4 TEC温控调谐测试

5．4 本章小结

6 血氧饱积度和血流速度的检测与分析

6．1 双参数血液检测系统设计

6．2 数据处理

6．2．1 小波交换基本原理

6．2．2 基于小波交换的信号处理

6．3 血氧测试结果

6．4 血流测试结果

6．6 本章小结

7 光泵浦分布反馈式钙钛矿激光器的探索研究

7．1 钙钛矿研究背景与意义

7．2 边缘出射的DFB结构设计

7．3 钙钛矿DFB的制作工艺

7．3．1 光栅波导的制作工艺流程

7．3．2 光栅波导制作工艺优化

7．3．3 钙钛矿薄膜制备

7．4 测试结果分析

7．5 本章小结

8 总结与展望

8．1 本文总结

8．2 对未来工作的展望

参考文献

作者简介