DE3827961C2 - - Google Patents
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- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
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Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
Ein derartiger Halbleiterlaser ist bereits aus der JP 60-1 92 380 (A) bzw.
aus der US-PS 46 67 332 bekannt. Dieser bekannte Halbleiterlaser enthält
ein Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine erste Abdeckschicht des
ersten Leitfähigkeitstyps, die das Substrat bedeckt, eine Stromsperrschicht
eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Abdeckschicht
angeordnet ist und diese bis auf eine erste streifenförmige Ausnehmung
mit umgekehrt trapezförmigem Querschnitt teilweise bedeckt, die die
Stromsperrschicht durchbricht, eine zweite Abdeckschicht vom ersten
Leitfähigkeitstyp, die die Stromsperrschicht und einen Teil der ersten Abdeckschicht
bedeckt und dem Verlauf der ersten Ausnehmung zur Bildung
einer zweiten Ausnehmung mit umgekehrt trapezförmigem Querschnitt
auf ihrer vom Substrat abgewandten Oberfläche folgt, sowie eine aktive
Schicht, die die zweite Abdeckschicht bedeckt, dem Verlauf der zweiten
Ausnehmung folgt und einen in der zweiten Ausnehmung liegenden flachen
Teil aufweist.
Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den bekannten
SBA-(Self-Aligned Bent Active Layer)-Laser, der eine
Laserstruktur aufweist, die sich zur Herstellung mit Hilfe
des MO-CVD-Verfahrens eignet. In der Fig. 4 ist ein GaAs-Substrat vom p-Typ
mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Auf dem GaAs-Substrat 1
vom p-Typ liegt eine erste Abdeckschicht 2 (Plattierungs-
bzw. Überzugsschicht) aus AlGaAs vom p-Typ. Eine GaAs-
Stromsperrschicht 3 vom n-Typ liegt auf der ersten AlGaAs-
Abdeckschicht 2 vom p-Typ. Eine zweite AlGaAs-Abdeckschicht
4 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht) vom p-Typ liegt auf
der Stromsperrschicht 3. Eine aktive Schicht 5 aus AlGaAs
vom p-Typ oder n-Typ liegt auf der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht
4 vom p-Typ. Eine AlGaAs-Abdeckschicht 6 (Plattierungs-
bzw. Überzugsschicht) vom n-Typ befindet sich auf
der aktiven Schicht 5. Eine GaAs-Kontaktschicht 7 vom n-Typ
liegt auf der AlGaAs-Abdeckschicht 6 vom n-Typ. Auf der
Kontaktschicht 7 befindet sich eine n-seitige Elektrode 8.
Eine p-seitige Elektrode 9 befindet sich an der unteren
Oberfläche des Substrats 1. Eine streifenförmige Ausnehmung
10 (Furche bzw. Rinne) ist in der Stromsperrschicht 3 vorhanden.
Bei diesem bekannten SBA-Laser ist die Bodenbreite der
streifenförmigen Ausnehmung 10 etwa 2 µm groß, während die
Dicke der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ etwa 0,2 µm
beträgt.
Diese Laserstruktur läßt sich durch zwei Kristallwachstumsvorgänge
mit Hilfe des MO-CVD-Verfahrens herstellen. Beim
ersten Kristallwachstumsvorgang werden auf dem GaAs-Substrat
1 vom p-Typ die erste AlGaAs-Abdeckschicht 2 vom p-Typ
und dann die GaAs-Stromsperrschchicht 3 vom n-Typ gebildet.
Nach dem ersten Kristallwachstumsvorgang wird die
streifenförmige Ausnehmung 10 durch einen geeigneten Ätzvorgang
erzeugt. Beim zweiten Kristallwachstumsvorgang werden
der Reihe nach die zweite AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ,
die aktive Schicht 5 und die AlGaAs-Abdeckschicht 6
auf dem Wafer erzeugt, so daß auf diese Weise eine Doppel-Heterostruktur
erhalten wird. Infolge des mit Hilfe des MO-CVD-Verfahrens
ausgeführten zweiten Kristallwachstumsvorgangs
wird eine aktive Schicht 5 gebildet, die eine durchgebogene
Konfiguration infolge der stufenartigen Ausbildung
der streifenförmigen Ausnehmung 10 aufweist.
Im folgenden wird die Wirkungsweise dieses Lasers näher beschrieben.
Wird eine Spannung an den Laser angelegt, derart, daß die
p-seitige Elektrode 9 positiv ist, so fließt ein Strom in
konzentrierter Weise durch den Aperturbereich der streifenförmigen
Ausnehmung 10. Es werden dann Löcher in den flachen
Teil 11 der aktiven Schicht 5 in der Nähe des Bodens
der streifenförmigen Ausnehmung 10 injiziert, und zwar von
der Seite der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ,
während Elektronen ebenfalls in diesen Teil injiziert werden,
und zwar von der Seite der AlGaAs-Abdeckschicht 6 vom
n-Typ. Die Elektronen und Löcher rekombinieren, so daß
Licht emittiert wird. Übersteigt der Strom einen Schwellenstrom,
so entsteht innerhalb des Lasers eine Laserschwingung.
Die aktive Schicht 5 dieses SBA-Lasers weist eine
ähnliche durchgebogene Konfiguration wie die streifenförmige
Ausnehmung 10 auf, wobei sich in einer Ebene, die die
aktive Schicht 5 im Bodenbereich der streifenförmigen Ausnehmung
10 enthält, der Brechungsindex in Horizontalrichtung
ändert. Demzufolge tritt die Laserschwingung im flachen
Teil 11 der durchgebogenen aktiven Schicht 5 auf, wobei
dieser Teil der aktive Bereich ist.
Beim bekannten SBA-Halbleiterlaser mit dem oben beschriebenen
Aufbau beträgt die Bodenbreite der streifenförmigen
Ausnehmung etwa 2 µm, während der Abstand des aktiven
Bereichs zum Boden der streifenförmigen Ausnehmung nur
klein ist und etwa 0,2 µm beträgt. Durch einen derartigen
Aufbau wird ein großer aktiver Bereich erhalten, so daß die
Transversal-Mode der Laserschwingung relativ unstabil wird.
Der kleine Abstand des aktiven Bereichs zum Boden der
streifenförmigen Ausnehmung 10, der nur 0,2 µm beträgt, hat
zur Folge, daß die Neuwachstums-Grenzfläche, die eine hohe
Dichte von Kristallgitterdefekten und Versetzungen enthält,
in der Nähe der aktiven Schicht 5 liegt. Durch diese Kristallgitterdefekte
bzw. Versetzungen wird höchstwahrscheinlich
die Lebendauer des Halbleiterlasers begrenzt.
Aus der DE 31 27 618 A1 ist ein weiterer Halbleiterlaser mit einer selbstausgerichteten
Streifengeometrie des Übergangs sowie ein Verfahren zu
seiner Herstellung durch ein chemisches Aufdampfverfahren unter Verwendung
von metallorganischen Verbindungen bekannt. Der Laser wird
auf einem durch Ätzen mit einer Nut versehenen Substrat gezüchtet und
besitzt eine Doppelheterostruktur mit einem schmalen V-förmigen aktiven
Bereich. Der Stromweg in dem V-förmigen aktiven Bereich wird unter Anwendung
der anormalen Zinkdiffusion während des Wachstums gebildet,
so daß sich ein breitflächiger Metallkontakt auf beiden Seiten des Halbleiterplättchens
erzielen läßt.
Darüber hinaus ist aus der DE-OS 26 26 775 ein Diodenlaser mit begrabenem
Heteroübergang bekannt. Er kann bei niedrigen Zimmertemperatur-
Schwellwerten und in den Grundmoden TE, TM oder TEM arbeiten. Der aktive
Bereich ist vollständig von einem Material mit einem geringeren Brechungsindex
und einem höheren Bandabstand umgeben. Der Fadenbereich
der aktiven Zone ist etwa becherförmig, d. h. in der Mitte dicker als
an den Enden und befindet sich nahezu vollständig innerhalb eines langgestreckten
Kanals des Lasersubstrats. Diese Ausbildung und Anordnung
des Fadenbereichs wirkt sich begünstigend auf das emittierte Licht im
mittleren Abschnitt des aktiven Bereichs aus, wodurch es möglich ist, die
Breite des erzeugten Lichtstrahls klein zu halten. Es ergibt sich ein Laser,
der einen ziemlich symmetrischen Ausgangslichtstrahl liefert und in den
transversalen Grundmoden in beiden Richtungen und bei niedrigen
Schwellenströmen von beispielsweise 10 mA arbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Halbleiterlaser der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, daß eine Transversalmode als
Grundschwingung auftritt und er darüber hinaus eine verlängerte Lebensdauer
aufweist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patentanspruch
1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
Der Halbleiterlaser nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß
- der Abstand des flachen Teils der aktiven Schicht vom Boden der ersten Ausnehmung größer als 0,6 µm ist,
- die Bodenbreite der ersten Ausnehmung kleiner als 2 µm ist und
- der Winkel zwischen dem Boden der ersten Ausnehmung und einer Linie, die jeweils ein Ende des Bodens der ersten Ausnehmung mit einem Rand des flachen Teils der aktiven Schicht verbindet, im Bereich zwischen 55 Grad und 75 Grad liegt.
- der Abstand des flachen Teils der aktiven Schicht vom Boden der ersten Ausnehmung größer als 0,6 µm ist,
- die Bodenbreite der ersten Ausnehmung kleiner als 2 µm ist und
- der Winkel zwischen dem Boden der ersten Ausnehmung und einer Linie, die jeweils ein Ende des Bodens der ersten Ausnehmung mit einem Rand des flachen Teils der aktiven Schicht verbindet, im Bereich zwischen 55 Grad und 75 Grad liegt.
Vorzugsweise sind die Halbleiterschichten des Halbleiterlasers mittels
metallorganischer chemischer Dampfabscheidung hergestellt. Dabei enthält
der Halbleiterlaser nach der Erfindung mindestens eine Halbleiterschicht,
die aus einem der Materialien der Reihe AlGaAs, AlGaInP oder
InGaAsP besteht.
Der umgekehrt trapezförmige Querschnitt liegt senkrecht zur
Längsrichtung der streifenförmigen Ausnehmung. Die kurze
Trapezseite liegt dabei dem Substrat am nächsten.
Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung eines
Halbleiterlasers nach der Erfindung,
Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der
Beziehung zwischen der Anstiegsrate des Betriebsstroms
des SBA-Lasers und dem Abstand der Neuwachstums-Grenzfläche
vom aktiven Bereich,
Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der
Beziehung zwischen der Breite des aktiven Bereichs
und der Breite der streifenförmigen Ausnehmung,
und
Fig. 4 eine perspektivische Schnittdarstellung durch einen
bekannten SBA-Laser.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung
eines Halbleiterlasers nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In Fig. 1 ist ein GaAs-Substrat 1
vom p-Typ mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Eine erste
AlGaAs-Abdeckschicht 2 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht)
vom p-Typ befindet sich auf dem GaAs-Substrat 1 vom p-Typ.
Eine GaAs-Stromsperrschicht 3 vom n-Typ liegt auf der ersten
AlGaAs-Abdeckschicht 2 vom p-Typ. Eine zweite AlGaAs-Abdeckschicht
4 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht) vom p-Typ
ist auf der Stromsperrschicht 3 angeordnet. Eine aktive
Schicht 5 aus AlGaAs (oder aus GaAs) vom p-Typ oder vom n-Typ
liegt auf der zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ.
Eine n-Typ AlGaAs-Abdeckschicht 6 (Plattierungs- bzw. Überzugsschicht)
liegt auf der aktiven Schicht 5. Eine n-Typ
GaAs-Kontaktschicht 7 befindet sich auf der AlGaAs-Abdeckschicht
6 (cladding layer) vom n-Typ. Eine n-seitige Elektrode
8 ist auf der Kontaktschicht 7 vorhanden, während eine
p-seitige Elektrode 9 auf der unteren Oberfläche des
Substrats 1 vorhanden ist. Eine streifenförmige Ausnehmung
10 (Furche bzw. Rinne oder dergleichen) befindet sich innerhalb
der Stromsperrschicht 3. Das Bezugszeichen 11 kennzeichnet
einen aktiven bzw. flachen Teil, während das Bezugszeichen
12 eine Neuwachstums-Grenzfläche bezeichnet.
Der Aufbau der jeweiligen Schichten dieses Ausführungsbeispiels
entspricht im wesentlichen demjenigen des in Fig. 4
gezeigten konventionellen SBA-Lasers. Beim Ausführungsbeispiel
nach der Erfindung ist jedoch die Bodenbreite Wg
kleiner als 2 µm (Wg < 2 µm), während der Abstand d oberhalb
von 0,6 µm liegt (d < 0,6 µm), und zwar im Gegensatz
zum Stand der Technik, bei dem Wg etwa 2 µm und der Abstand
d etwa 0,2 µm betragen.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise des SBA-Lasers gemäß
diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
Die Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen dem Abstand d vom
flachen Teil 11 zur Neuwachstums-Grenzfläche 12 und der
Anstiegsrate des Betriebsstroms von einem Ausgangswert, wobei
die Anstiegsrate erhalten wird, wenn der SBA-Laser über
10 Stunden bei konstantem Lichtausgang von 5 mW und bei einer
relativ hohen Temperatur von 70°C betrieben wird. Es
handelt sich hierbei um die Anlauf- bzw. Beschleunigungsbedingung.
Wie anhand der Fig. 2 zu erkennen ist, ist die Anstiegsrate
des Betriebsstroms extrem groß, und zwar für einen
Bereich, in welchem der Abstand d kleiner als 0,5 µm
ist. Es treten daher Probleme bezüglich der Elemente-Lebensdauer
und der Betriebszuverlässigkeit auf. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel ist der Abstand d auf etwa 0,6 µm
gesetzt, wobei die Anstiegsrate des Betriebsstroms vom
Ausgangswert auf etwa unterhalb 5% gehalten werden kann.
Hierdurch ergibt sich eine hinreichend gute Lebensdauer für
den praktischen Gebrauch.
Die Fig. 3 zeigt eine typische Darstellung der Beziehung
zwischen der Breite Wa des flachen Teils 11 und der Bodenbreite
Wg der streifenförmigen Ausnehmung 10, wobei die
Breite Wa benachbart zur streifenförmigen Ausnehmung 10 im
SBA-Laser liegt. Beim tatsächlichen Wachstumsvorgang unter
Anwendung des MO-CVD-Verfahrens wächst der Kristall in einer
solchen Richtung auf, daß er die streifenförmige Ausnehmung 10
bzw. Furche oder Rille begraben sollte. Es sollte
sich daher ein Winkel α bilden, der zwischen der Basis, die
durch den Boden der streifenförmigen Ausnehmung 10 gebildet
wird, und einer Linie liegt, die jeweils ein Ende des Bodens
der streifenförmigen Ausnehmung 10 mit einem Endbereich
des flachen Teils 11 verbindet, wobei der Winkel α kleiner
als 90° ist. Je größer somit der Abstand d von der Neuwachstums-Grenzfläche
12 wird, desto schmaler wird die
Breite des flachen Teils 11. Der Winkel α hängt ebenfalls
von der Wachstumsbedingung bei Anwendung des MO-CVD-Verfahrens
ab, genauer gesagt von der Aufwachstemperatur TG. Die
praktische Aufwachstemperatur kann z. B. im Temperaturbereich
von 700 bis 850°C liegen. Je größer die Aufwachstemperatur
ist, desto größer ist der Winkel α, z. B. etwa 55°
bei 700°C und etwa 75° bei 850°C. Die Breite Wa des flachen
Teils 11 nimmt daher mit ansteigender Temperatur zu.
Die Breite Wa des flachen Teils 11 wird daher durch die
Breite Wg der streifenförmigen Ausnehmung 10, durch die Aufwachsbedingung
(Aufwachstemperatur) und die Dicke d der
zweiten AlGaAs-Abdeckschicht 4 vom p-Typ bestimmt. Um einen
SBA-Laser zu erhalten, der eine stabile Transversal-Mode
als Grundschwingung aufweist, und der ferner mit hoher Ausbeute
hergestellt werden kann, sollte in Übereinstimmung
mit experimentellen Daten die Breite Wa des flachen Teils 11
unterhalb von 1,7 µm liegen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die Breite Wg
unterhalb von 2 µm und die Dicke d bei etwa 0,6 µm, so daß
eine Breite Wa für den flachen Teil 11 erhalten wird, die
etwas unterhalb von 1,7 µm bei 850°C liegt. Dies ist die
obere Grenze der Aufwachstemperatur. Hierdurch läßt sich
erreichen, daß eine stabile Transversal-Mode als Grundschwingung
erhalten wird. Liegt die Aufwachstemperatur unterhalb
von 850°C, so nimmt der Winkel α den Wert α < 75°
an, während die Breite Wa des flachen Teils 11 ebenfalls
unterhalb von 1,7 µm liegt. Auch in diesem Fall wird eine
stabile Transversal-Mode als Grundschwingung erzielt.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein
AlGaAs-SBA-Laser auf einem GaAs-Substrat vom p-Typ hergestellt.
Es lassen sich aber auch ein Laser auf einem Substrat
vom n-Typ oder ein Laser aus einem anderen Material
in Übereinstimmung mit der Erfindung herstellen, der z. B.
Material der Serien AlGaInP oder InGaAsP enthält und der
ansonsten dieselbe Struktur einschließlich der durchgebogenen
aktiven Schicht aufweist.
Entsprechend der zuvor beschriebenen Erfindung wird die Bodenbreite
der streifenförmigen Ausnehmung im SBA-Laser auf
einen Wert unterhalb von 2 µm gesetzt, während der Abstand
von einem aktiven Bereich zur Neuwachstums-Grenzfläche auf
etwa 0,6 µm eingestellt wird. Die Neuwachstums-Grenzfläche
ist hierbei die Grenzfläche zwischen den Schichten 2 und 3,
wie in Fig. 1 zu erkennen ist. Die Breite des flachen Teils 11
kann daher leicht auf einen Wert von kleiner als 1,7 µm
eingestellt werden, so daß sich eine stabile Transversal-Mode
(transverse mode) als Grundschwingung und eine
verlängerte Lebensdauer erzielen lassen.
Claims (3)
1. Halbleiterlaser mit
- einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
- einer ersten Abdeckschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps, die das Substrat (1) bedeckt,
- einer Stromsperrschicht (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Abdeckschicht (2) angeordnet ist und diese bis auf eine erste streifenförmige Ausnehmung (10) mit umgekehrt trapezförmigem Querschnitt teilweise bedeckt, die die Stromsperrschicht (3) durchbricht,
- einer zweiten Abdeckschicht (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die die Stromsperrschicht (3) und einen Teil der ersten Abdeckschicht (2) bedeckt und dem Verlauf der ersten Ausnehmung (10) zur Bildung einer zweiten Ausnehmung mit umgekehrt trapezförmigem Querschnitt auf ihrer vom Substrat (1) abgewandten Oberfläche folgt, und
- einer aktiven Schicht (5), die die zweite Abdeckschicht (4) bedeckt, dem Verlauf der zweiten Ausnehmung folgt und einen in der zweiten Ausnehmung liegenden flachen Teil (11) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der Abstand (d) des flachen Teils (11) der aktiven Schicht (5) vom Boden der ersten Ausnehmung (10) größer als 0,6 µm ist,
- die Bodenbreite (Wg) der ersten Ausnehmung (10) kleiner als 2 µm ist und
- der Winkel (α) zwischen dem Boden der ersten Ausnehmung (10) und einer Linie, die jeweils ein Ende des Bodens der ersten Ausnehmung (10) mit einem Rand des flachen Teils (11) der aktiven Schicht (5) verbindet, im Bereich zwischen 55 Grad und 75 Grad liegt.
- einem Substrat (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps,
- einer ersten Abdeckschicht (2) des ersten Leitfähigkeitstyps, die das Substrat (1) bedeckt,
- einer Stromsperrschicht (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf der ersten Abdeckschicht (2) angeordnet ist und diese bis auf eine erste streifenförmige Ausnehmung (10) mit umgekehrt trapezförmigem Querschnitt teilweise bedeckt, die die Stromsperrschicht (3) durchbricht,
- einer zweiten Abdeckschicht (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp, die die Stromsperrschicht (3) und einen Teil der ersten Abdeckschicht (2) bedeckt und dem Verlauf der ersten Ausnehmung (10) zur Bildung einer zweiten Ausnehmung mit umgekehrt trapezförmigem Querschnitt auf ihrer vom Substrat (1) abgewandten Oberfläche folgt, und
- einer aktiven Schicht (5), die die zweite Abdeckschicht (4) bedeckt, dem Verlauf der zweiten Ausnehmung folgt und einen in der zweiten Ausnehmung liegenden flachen Teil (11) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der Abstand (d) des flachen Teils (11) der aktiven Schicht (5) vom Boden der ersten Ausnehmung (10) größer als 0,6 µm ist,
- die Bodenbreite (Wg) der ersten Ausnehmung (10) kleiner als 2 µm ist und
- der Winkel (α) zwischen dem Boden der ersten Ausnehmung (10) und einer Linie, die jeweils ein Ende des Bodens der ersten Ausnehmung (10) mit einem Rand des flachen Teils (11) der aktiven Schicht (5) verbindet, im Bereich zwischen 55 Grad und 75 Grad liegt.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
seine Halbleiterschichten mittels metallorganischer chemischer Dampfabscheidung
hergestellt sind.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß er mindestens eine Halbleiterschicht enthält, die aus einem der Materialien
der Reihe AlGaAs, AlGaInP oder InGaAsP besteht.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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8125 | Change of the main classification |
Ipc: H01S 3/19 |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |