化学和生物分析物的快速检测在很多应用中都具有重要意义,其中包括生产中的质量控制、疾病的检测和预防、生物分子的识别、环境监控,等等。光学检测是利用光子在传播中,与被检测物质发生相互作用,来获取被检测物的信息。这个领域引起了世界范围内的广泛关注,并且发展出了许多出色的技术。然而,文献报道里的大部分工作都使用无源的干涉器件,包括马赫曾德干涉仪,法布里珀罗谐振腔,或者环形谐振腔。在这种情况下,需要使用一个外部光源,这会增加整个器件的成本以及复杂程度,也会导致器件工作稳定性的降低。本文的目标是实现紧凑,低廉,高灵敏度的集成光学传感器,这可以通过两种方式得到——混合集成或者单片集成。(1)我们从理论上和实验上,研究了一种高灵敏度,使用强度检测的波导生物传感器。它基于FP激光器和无源环形腔的级联结构。FP激光器制作工艺简单,价格低廉,在这里用做光源,提供与环相匹配的参考谐振峰。由于FP激光器具有锐利的峰以及高的能量光谱密度,所以可以得到比纯无源器件更高的灵敏度和光谱效率。由于使用了强度检测,并不需要额外的光源和光谱仪。初步的试验结果已经得到了1000dB/RIU的灵敏度,是双环结构灵敏度的两倍多。通过改进,在使用TM模式以及降低耦合系数到10%的情况下,理论上灵敏度可以达到5×104dB/RIU量级。此时对于折射率的探测极限为2×10-7。通过Ⅲ-Ⅴ半导体和硅材料的集成技术的发展以及微流技术的进步,这个传感方案可以扩展到大阵列生产和片上实验室的应用。(2)我么对于级联的FP激光器和环形腔的传感器的温度补偿,进行了理论设计。提出了通过增加一个监测环的方法,达到保持激光器激射波长和环形腔的谐振波长同步移动,从而补偿了环境变化对于激光器或者环形腔的影响。由于结合了强度检测的方法,所以设计中使用了三个探测器,分别探测激光器以及两个环的输出光强。在这个设计中,没有增加任何制作的复杂度。稳定性只需要通过调节激光器激射波长位置和监测环的透射峰位置,使之保持同步变化,而不需要对某个器件进行单独的控制。由于使用的是相对强度的检测,所以其中的探测器无需校准。理论分析显示,系统的探测极限可以实现10-6RIU数量级。(3)为了探索单片集成的可行性,我们在GaAs平台上使用AlGaAs的氧化工艺可以得到与SOI类似的高折射率差结构。在实验过程中,我们发现了由高铝层的横向氧化引起的与之相邻的材料的纵向氧化现象。纵向氧化会引起临近层的氧化,以及引入额外的界面粗糙度,这对光波导来说是很有害的。我们提出了超晶格的结构来限制纵向氧化。这种结构显示了比块状Al0.34Ga0.66As甚至块状GaAs材料更强的抗氧化性。超晶格的氧化是逐层的,因此可以将纵向氧化限制在4nm。用超晶格代替体材料,氧化物与非氧化的界面也得到了改善。对于干法刻蚀的GaAs材料进行氢气等离子体处理可以使块状GaAs材料被氧化。这表明了氢元素在GaAs的纵向氧化中的重要作用。(4)最后,我们在常规结构和超晶格结构上都制作了基于氧化工艺的高折射率差波导。在超晶格结构中,我们在块状Al0.34Ga0.66As波导芯层和高铝含量的下包层之间插入了三个周期的超晶格结构来限制纵向氧化。波导的传输损耗是使用FP方法测量的。在波长为1550nm时的传输损耗(～18dB/cm)与文献中报导的具有相似结构的波导的损耗值接近。在1550nm时,没有发现常规结构和超晶格结构的损耗值有明显的不同。然而,当波长为830nm时,损耗值非常高(常规结构,TE模式损耗在150dB/cm量级)。这很可能大部分是由于界面上的散射损耗,在短波长情况下变得比长波长时严重得多。同时,我们制作和测试了基于拉伸应力量子阱材料的工作在TM模式下的激光器。这可以作为未来单片集成传感器的重要组成部分