JP2001249242A - 表面波伝播を減少した一体化光学チップ - Google Patents
表面波伝播を減少した一体化光学チップInfo
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Abstract
光比を改良し、多機能一体化光学チップの偏光非相反エ
ラーを減少させる。 【解決手段】 光導波管ネットワークは電気光学的に活
性な材料からなる基板16を含む一体化光学チップ58
内に形成され、且つ光導波管ネットワークは光信号が光
導波管ネットワークへ入力可能な入力ファセット46と
光信号が光導波管ネットワークから出力可能な出力ファ
セット48とを有している。構造体60は基板16の上
面部44内に配置され、基板16内を伝播する表面波が
出力ファセット48内にクロスカップリングすることを
防止する。
Description
るいは装置、更に詳細にはニオブ酸リチウム(LiNb
03)基板上に形成される一体化光学部品を有した多機
能一体化光学チップに関する。このチップに形成される
一体化光学部品には導波管が含まれ、光学カプラ、偏光
子あるいは位相変調器として機能させるよう配列可能で
ある。多機能を果たす装置が単一の装置に内蔵させる場
合、インターフェース分離装置と関連するロス若しくは
エラーの発生を回避し得る。本発明は特に、光導波管と
接続される光ファイバピグテールを経て光ファイバにク
ロスカップリングされる表面波の伝播の結果、偏光消光
比を改良する、あるいは多機能一体化光学チップの偏光
非相反(PNR)エラーを減少させる方法及び装置に関
する。
は通常従来のフォトマスク、真空蒸着、化学浴、プロト
ン交換、拡散、及びエッチングの各技術を用いてニオブ
酸リチウム(LiNb03)からなる3〜4インチウエ
ハ上に大量に製造し、多数の同一部品を低コスト、高信
頼性をもって形成する。上述した多機能を実現するMI
OCは中間及び高い精度の光ファイバジャイロスコープ
(FOG)若しくは回転センサの製造に使用される。F
OGはサニャック効果を利用してコイル状の光ファイバ
に対し直角な軸を中心とする回転速度を測定する。MI
OCはまたマッハツェンダー干渉計またはマイケルソン
干渉計の原理に基く水管検漏器若しくはジオフォンのよ
うな他の光ファイバ光学センサを製造する場合にも使用
可能である。
反対方向に進む波を光信号源から光ファイバコイル内に
導入する手段が含まれる。コイル平面に対し直角な軸を
中心とするコイルの回転により、時計回り及び反時計回
りの波の間にサニャック効果により位相差が生じる。こ
の位相差は、回転方向にコイルを横断する波がコイルを
反対方向に横断する波より光ファイバコイルを経てトラ
ンジット時間が長くなるために生じる。これら波はコイ
ルを経て伝播した後、合流される。この合流波により干
渉パターンが形成され、処理されて回転速度が決定され
る。回転速度を決定する技術は当業者には周知である。
保存ファイバからなる光ファイバコイルとの間に多機能
を有する一体化光学チップ(MIOC)を含むようにF
OGを形成することは通例である。MIOCには通常、
Y接合をなすべく配置された複数の光導波管が含まれ
る。Y接合の基部は光信号源と接続され、一方Y接合の
アーム部は光ファイバコイルの端部とインターフェース
を構成する。多機能の一体化光学チップへの光信号の入
力はY接合で分割され、互いに反対方向に進む波として
光ファイバコイルの端部へ入力される光信号となる。コ
イルを伝播した後、波はY接合のアーム部を構成する光
導波管に入る。次に波はY接合内で合流され、Y接合の
基部から光ファイバへ出力される。合流波は光検出器へ
案内され、光検出器は電気信号を発生し、電気信号が処
理されて回転速度が決定される。
路長を付加することなしに光ファイバコイル内及び光導
波管内を伝播するTEモードである。TMモード及び通
路長の付加を有するTEモードの伝播は望ましくない状
態である。位相差(あるいは常時ファイバ内で2偏光成
分を有することに関連する偏光非相反(PNR))を加
える偏光クロスカップリング(polarizatio
n cross coupling)のような誤差源は
サニャック効果と直接争う付加光路差として現れる。こ
れらの誤差源のため、MIOC内の位相変調器により使
用される周波数で変調されるときに位相バイアス誤差及
び振幅バイアス誤差が生じる。偏光クロスカップリング
による光ファイバ回転センサ内のバイアス成分は偏光消
光比の絶対値の平方根に逆比例する。消光比はデシベル
単位で表される偏光モードの所望パワー(所望モードの
パワー)に対する不都合なパワー(望ましくないモード
のパワー)の比の対数の10倍として定義される。MI
OC内のクロスカップリングを最小にすると(消光比の
絶対値を最大にすると)、この種のバイアス誤差が減少
される。
な一体化光学チップ(IOC)は、「高電気光学係数を
有する多機能の一体化光学チップを製造する方法」と題
し、1993年3月9日に公布されたチン・エル・チャ
ン等による米国特許第5,193,136号;「一体化
光学チップ及びそれに光ファイバコイルを接続する方
法」と題し、1991年9月10日に公布されたチン・
エル・チャンによる米国特許第5,046,808号;
「一体化光学チップ及びニオブ酸リチウム基板に対する
光ファイバの付設のためのレーザアブレーション法」と
題し、1995年2月28日に公布されたチン・エル・
チャン等による米国特許第5,393,371号;「電
気光学導波管、位相変調器及びそれらを製造する方法」
と題し、1995年8月15日に公布されたチン・エル
・チャン等による米国特許第5,442,719号;及
び「一体化光学チップに対しファイバの堅牢な接続のた
めの方法及びその製品」と題し、1990年12月11
日に公布されたジョージ・エイ・パビラスによる米国特
許第4,976,506号に開示されると同様の処理若
しくは工程を用いて形成される。
チップは電気光学的に活性な材料からなる基板と基板の
第1の面上に形成される光導波管ネットワークとを備え
る。光導波管ネットワークは光信号が光導波管ネットワ
ークへ入力される入力ファセットと、光導波管ネットワ
ークから出力される出力ファセットとを有する。本発明
による一体化光学チップは更に基板内を伝播する表面波
が出力ファセットに連結することを防止するよう構成さ
れた基板の上層内に配置された構造体を含んでいる。
内に連結することを防止する構造体は第1の金属を含む
第1の層と第2の金属からなる第2の層とを備える。第
1の層はチタンからなり第2の層は金からなることが好
ましい。
と連結することを防止する構造体は処理されて基板の残
部の屈折率とは異なる第2の屈折率を有した基板の領域
を有している。
ットワークのファセットから離間する表面波を配光す
る、あるいは表面を伝播する光を拡散してクロスカップ
リングを最小にするような焦点距離を有する焦点領域と
して形成可能である。
の図面に示す好ましい実施形態に沿った以下の説明から
より完全に理解されよう。
一定の割合で拡大して示してある。図面に示される構成
部品の一部の寸法は他の構成部品に比べ拡大して示す必
要があるほど小さい。
光導波管12−14からなる光導波管ネットワーク11
を含む周知のMIOC10が示される。基板16はこの
ような装置の製造に通常使用されるニオブ酸リチウム
(LiNb03)のような電気光学的に活性な材料で作
られる。光導波管12−14は当業者には周知の処理法
を用いて基板16の一部をドーピング処理することによ
り形成される。
波管12−14が交差するY接合部20へ向って延びて
いる。光導波管13、14はY接合部20と平行部2
6、28との間をそれぞれ延びる角度部22、24を有
している。光導波管13、14は基板16のY接合部2
0と縁部30との間に延び、縁部18、30は全体とし
てその縁部(18)に対し平行にされる。
34がそれぞれ突き合わせ連結されて形成され、他の構
成部品(図示せず)とMIOC10とのインターフェー
スをなすように形成される。従来の構成及び本発明の構
成両方を簡単に説明するために、光ファイバ32は入力
ファイバピグテールと呼び、光ファイバ33、34は出
力ファイバピグテールと呼ぶ。
れた処理により図1Bに示す如く基板の上部に薄いスラ
ブ光導波管36が製造され得る。光ファイバジャイロス
コープのような装置を製造する際にMIOC10が使用
されるとき、光信号は入力光ファイバピグテール32か
ら光導波管12へ入力される。入力ピグテール32から
の信号の一部はピグテール32と光導波管12との間の
インターフェースで散乱される。特にこの散乱光の一部
はスラブ光導波管36内に結合される。光はスラブ光導
波管36内で反射が生じるMIOC10の側面38、4
0へ向って伝播する。矢印A、Bは表面導波管36内で
移動可能な表面波の通路を示している。図1Cに示すよ
うに、反射された表面波は出力ピグテール33、34内
に結合される。更に、矢印Aで示すように、表面波の一
部は反射することなく出力ピグテール33、34へ直接
伝播し、またMIOC10の出力と結合される。
される3個の電極50〜52を示す。電極50〜52は
電極51が光導波管13、14の平行部分間にあるよう
に配置される。光導波管13は電極50、51間に配設
され、光導波管14は電極51、52間に配設される。
電気コンタクト54、56もまた上面44に形成可能で
ある。電極50〜52は通常MIOC10がFOG(図
示せず)内に含まれるときプッシュ・プル位相変調器を
構成するために使用される。
クロスカップリングを防止するため、表面モードが光フ
ァイバピグテールにクロスカップリングするMIOCの
全長を横切って伝播することを防止する光阻止、トラッ
プあるいは分散するように構成する必要があることが判
明した。本発明の説明上、光信号が光ファイバピグテー
ル32へ入力され、Y接合部で分割され、次に光ファイ
バピグテール33、34で出力されるものとする。
発明の一の構成によれば、例えば金属若しくは他の吸光
あるいは反射材料を用いて薄いスラブ導波管が形成され
たMIOC面での境界条件が変更される。弱く案内され
る表面モードを消滅させる本発明の他の一の構成によれ
ば、極めて焦点距離の短いレンズのように作用するよう
に屈折率が設定される。本発明の更に別の構成によれ
ば、材料の幾何学的形状をMIOCの表面に与えること
により、スラブ導波管内の屈折率が変化される。この波
の中断により、一体化光学チップ内の偏光クロスカップ
リングによるエラーが効果的に停止あるいは阻止でき
る。
いは吸収する概念の実現には、本発明により選択された
特徴部がMIOC10製造用のファオトリソグラフィマ
スク内に含ませる必要がある。この幾何学的構成体は導
波管ネットワーク15に触れるか、あるいは横断するよ
うに含ませることができる。幾何学的構成体はまた導波
管ネットワーク15の近傍に配置可能である。且つ幾何
学的構成体は導波管ネットワーク15からある距離離間
された位置において、且つ対象である表面伝播波の通路
内に直接配設可能である。形状及び位置を設定するとき
所望の結果を得るためには、材料が受ける処理工程のす
べてを考慮する必要がある。
あるいはチップの表面の幾何学的形状またはパターンの
屈折率変化を与え、表面波の移動方向を変更する、ある
いは表面光を吸収する例を示す。また屈折率変化と材料
付加を共に使用可能である。表面屈折率の変化を起こさ
せる最簡潔の方法は、光導波管12−14の形成と同一
の手段を経てパターン若しくは形状を作ることである。
この場合プロトン交換法が好ましい方法であり、MIO
C10の製造でコストが増すことはない。またチタン拡
散導波管製造ラインでは、表面伝播光の方向を阻止、抑
制あるいは変更するために幾何学的パターンのチタン拡
散表面屈折率の変化を利用し得、これもコストが増すこ
とはない。
調器の電極のフォトリソグラフィマスクに一体化され、
MIOC10の製造でコストが増すことはない。パター
ン若しくは形状が複数回反復されて、効果が増大され
る。可能な複数の構成について以下に説明する。この場
合同一あるいは異なる幾何学的パターンを用いた屈折率
変化法、局所塗布法あるいはそれらの組合法が使用され
よう。横及び長手方向のブロック、レンズ、分散体また
は吸光体のサイズ、形状及び延長は、光学チップの全チ
ップ長及び導波管構成、並びに光ファイバピグテールの
位置により決定される。マッハ・ツェンダー干渉計のよ
うに、あるいはY接合部の後に吸光体若しくは分散体が
平行通路位置に使用されるとき、図6、図10、図13
及び図15に示すようにオフセットあるいは互い違いに
する必要がある。またオフセットは光源のコヒーレンス
長より大きくする必要がある。
波の伝播を減少させる装置及び方法を示す。これらの図
面はすべて簡単な線で示す光導波管を有した上部平面図
である。構造体あるいは材料を与えて表面波伝播を減少
させる以外は、一体化光学チップは図1A及び図1Dを
参照して説明した周知の一体化光学チップと同様である
ことは理解されよう。従って図2〜図16の一体化光学
チップのすべてに、Y接合部20を含む光導波管ネット
ワークを構成する基板16及び光導波管12−14が含
まれている。導波管ネットワーク15の他の構成も可能
である。この詳細な構成が図面に開示し以下に説明され
る。
表面波阻止構造体60を有するMIOC58を示す。構
造体60は光導波管12のY接合部20と隣接する領域
に加えられる。この上部平面図に示すように、構造体6
0は一対の矩形構造を有し、一方は光導波管12の両側
あるいは光導波管12と連続して設けることができる。
図2Bに示すように構造体60にはチタンのような金属
の第1の層62及び金のような金属の層64とが含まれ
る。チタン・金構造体60に入射される表面波は、反
射、散乱あるいは吸収される。金属層が周知の技術によ
り蒸着されることは理解されよう。
オブ酸リチウムの屈折率とは異なる屈折率を有する基板
16の領域61として構成可能である。異なる屈折率を
有する基板16の領域61は光導波管12−14を形成
している間に、プロトン交換法により形成される。屈折
率の変化と対向する表面波の一部は反射あるいはその方
向が変更される。反射される光は周知の光学原理に従い
屈折率の差及び構造体表面に入射される角度により決定
される。
この場合一対の薄い矩形表面波阻止構造体66、68が
基板16を横断させて付加される。構造体66、68は
図2B〜図2Dに示すものと同様の形態の単層あるいは
複層にできる。構造体66、68により、入射表面波が
反射、再配向あるいは吸収できる。
この場合複数の焦点領域72〜79がレンズとして作用
するように形成される。焦点領域72〜79は光導波管
12の長手方向に沿い離間して配置される。焦点領域7
2〜79は極めて短い焦点距離を有し表面波がMIOC
70のピグテール32〜34から離間するよう配向され
ることが好ましい。焦点領域72〜79はプロトン交換
法により形成可能である。焦点領域72〜79は導波管
ネットワーク15に沿った任意の個所に配置できよう。
これらの構造体の最適位置は他の構造体、即ち電極若し
くは導波管ネットワーク15の構成により決定される。
この場合その上に複数の矩形構造体82〜85を有して
いる。矩形の構造体82、83は基板16の光導波管1
2の側縁部38、40と隣接させた対向して配置され
る。矩形の構造体84、85は基板16の側縁部38、
40と隣接し、光導波管13、14はその間に配置され
る。これらの構造体は金属を加えるのではなく材料内の
屈折率変化を与えることにより構成させることが好まし
い。
この場合基板16内に形成される複数の焦点領域92〜
99を有している。焦点領域92、93は基板16の縁
部18の近傍において光導波管12の反対側に配置され
る。焦点領域94、95はY接合部20の近傍において
光導波管12の反対側に配置される。焦点領域96、9
7は基板16の縁部30の近傍において光導波管14の
反対側に配置され、焦点領域98、99もまた縁部30
の近傍において光導波管13の反対側に配置される。対
をなす焦点領域96、97及び焦点領域98、99は互
いに偏位しオフセットされる。このオフセットは偏光ク
ロスカップリングの発生を防止するため減偏光長(de
polarization length)より大きく
する必要がある。減偏光長はTEモードとTMモードと
の間の屈折率差により除算された光波のコヒーレンス長
として定義される。
し、この場合複数の三角構造体105〜107が基板1
6上に形成される。三角構造体104、105は基板1
6の縁部18の近傍において光導波管12の反対側に配
置される。三角構造体106、107はそれぞれ側縁部
38、40の近傍において基板16の縁部30近傍に配
置される。
し、この場合一対の三角構造体112、114はそれぞ
れ側縁部38、40の近傍において基板16の縁部30
の近くに形成される。三角構造体116はY接合部20
の近傍において光導波管13、14間に形成される。三
角構造体118、120はY接合部20の反対側におい
てそれぞれ側縁部38、40と隣接する基板16上に形
成される。
し、この場合上述したような三角構造体112、114
を有する。一対の三角構造体124、126は光導波管
12の反対側でY接合部20の近傍の基板16上に配置
される。三角構造体124、126の間には約1〜10
μmの狭い間隙125が形成される。
この場合光導波管13、14の近傍に配置される2対4
個の側部を有する構造体130〜133を具備する。各
対の間には小さな間隙が置かれる。この間隙は隣接する
光導波管12〜14の縁部から1〜10μm離れる間隙
であることが好ましい。構造体は図6に沿って上述した
ような方法で互いにオフセットされている。4個の側部
を有する第1の構造体134は光導波管12の片側に配
置され、4個の側部を有する第2の構造体136は反対
側に配置される。構造体134、136と光導波管12
との間には約1〜10μmの狭い間隙が置かれる。
し、この場合それぞれ縁部18及び30の近傍に形成さ
れる一対の薄い矩形構造体142、144を有する。
この場合表面波を分散、反射あるいは吸収する材料の薄
いライン152、156がそれぞれ基板端部18、30
の近傍に配置される。この材料の近接離間させて複数の
ライン154はY接合部20の近傍に光導波管12と隣
接して配置される。
この場合光導波管12の反対端部の近傍に配設された表
面波阻止材料からなる複数のライン162、164を有
する。表面波阻止材料からなる薄いライン166は光導
波管13、14を横切って延びている。ライン166は
光導波管13、14の軸に対し直角ではない。
この場合表面波阻止材料からなる複数の矩形構造体17
2〜175が基板16上に形成される。矩形構造体17
2、173は光導波管12の反対側部に配置され、基板
16の側縁部38、40にそれぞれ近接して配置され
る。矩形構造体174は光導波管12、14及びY接合
部20の近傍において側部40と隣接して配置される。
いライン182〜185を有するMIOC18を示す。
ライン182は光導波管12に対し直角であり、基板1
6の縁部18近傍に配置される。ライン182は約80
度の角度でY接合部20の近傍において基板16をある
角度で横断して延びる。ライン184、185はそれぞ
れ光導波管13、14を約80度の角度をもって延びて
いる。ライン184、185は図6に関して上述した場
合と同一の方法で互いにオフセットされる。
沿って構造体187、188が付加されたMIOC19
0を示す。構造体187、188はそれぞれMIOC1
90の長さに沿って延びるライン187A、188Aを
含む。構造体187、188はそれぞれ広く湾曲した湾
曲部187B、188Bを有している。湾曲部187
B、188BはMIOC190のY接合部20上面の中
央領域の近傍に配置され、ピグテールに連結される縁部
から通常反射する光を捕捉、分散あるいは吸収するよう
に構成される。
理を示すためのものである。本発明はその精神及び本質
的な特性から離れることなく他の形態も採用可能であ
る。本発明のいくつかの実施形態を上述したが、表面波
を阻止あるいは反射させる装置の他の多くの構成が本発
明の範囲内で形成可能であることは理解されよう。従っ
て開示した実施形態は全ての点において制限されるもの
ではなく一例として開示したに過ぎない。従って上述の
説明の範囲ではなく、添付の請求項によって本発明の範
囲が定まる。請求項に記載の等価物の意味及び範囲内に
入るここに開示の実施形態に対する全ての設計変更が本
発明の範囲に含まれよう。
である。
図である。
る。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材料パ
ターンの上部平面図である。
原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材料パ
ターンの上部平面図である。
原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材料パ
ターンの上部平面図である。
原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材料パ
ターンの上部平面図である。
原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材料パ
ターンの上部平面図である。
原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材料パ
ターンの上部平面図である。
原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材料パ
ターンの上部平面図である。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材料
パターンの上部平面図である。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
明の原理に基き表面波伝播を除去あるいは減少させる材
料パターンの上部平面図である。
光導波管、13;光導波管、14;光導波管、16;基
板、18;縁部、20;Y接合部、30;縁部、32;
ピグテール、36;スラブ光導波管、40;側部、4
4;上面層、46;入力ファセット、48;出力ファセ
ット、51;電極、58;一体化光学チップ、60;構
造体、61;領域、62;第1の層、64;第2の層、
65;MIOC、66;トレンチ、72;基板、73;
第1の面、74;トレンチ、75;吸光材、76;中央
底部、78;カバー、79;上面、80;MIOC、8
2;側部、84;光線、94;散乱源、104;散乱
源、106;上面、108;内端部、110;MIO
C、116;三角構造体、120;MIOC、126;
溝、128;MIOC、134;第1の構造体、13
6;第2の構造体、142;トレンチ、150;MIO
C、154;ライン、156;縁部、160;MIO
C、162;接合線、166;ライン、170;MIO
C、174;構造体、180;MIOC、182;ライ
ン、190;MIOC、187A、188A;ライン、
190;MIOC、187B、188B;湾曲部
Claims (9)
- 【請求項1】 電気光学的に活性な材料からなる基板
(16)と、基板(16)の第1の面上に形成される光
導波管ネットワーク(11)と、基板(16)の上面層
(44)に配置され、基板(16)内において伝播する
表面波が出力ファセット(48)と連結することを防止
する構造体(60)とを備え、光導波管ネットワーク
(11)は光信号を光導波管ネットワーク(11)へ入
力可能な入力ファセット(46)と光信号を光導波管ネ
ットワーク(11)から出力可能な出力ファセット(4
8)とを有してなる一体化光学チップ(58)。 - 【請求項2】 構造体(60)が第1の金属を含む第1
の層(62)と第2の金属からなる第2の層(64)と
を包有してなる請求項1の一体化光学チップ(58)。 - 【請求項3】 光導波管ネットワーク(11)はY接合
部(20)を形成すべく配置された複数の光導波管(1
2〜14)を含み、構造体(60)はY接合部に隣接す
る複数の光導波管(12〜14)の第1の光導波管(1
2)上に配置される光導波管請求項2の一体化光学チッ
プ(58)。 - 【請求項4】 基板(16)は第1の屈折率を有し、構
造体は処理されて第1の屈折率とは異なる第2の屈折率
を有する基板(16)の領域(61)を有する請求項1
の一体化光学チップ(58)。 - 【請求項5】 構造体(60)が光導波管ネットワーク
(11)の出力ファセット(48)から離間する方向に
表面波を配向するような焦点距離を持つ焦点領域(7
4、78)として形成される請求項1の一体化光学チッ
プ(58)。 - 【請求項6】 基板(16)の屈折率と異なる第2の屈
折率を有するよう処理された基板(16)の複数の領域
(82〜85)を備える請求項1の一体化光学チップ
(58)。 - 【請求項7】 基板(16)は光導波管ネットワーク
(11)の反対端部の近傍に配置される第1の屈折率と
異なる第2の屈折率を有するよう処理された請求項1の
一体化光学チップ(58)。 - 【請求項8】 基板(16)は第2の屈折率を有し、第
1の屈折率と異なる屈折率を有する基板(16)の複数
のライン領域(154)を持つ請求項1の一体化光学チ
ップ(58)。 - 【請求項9】 第1の屈折率と異なる第1の屈折率を有
するよう処理された基板(16)の領域(187、18
8)は基板(16)の実質的に長手方向に沿って延びる
薄い線形部(187A、188A)と、基板(16)の
側部(190、1911)と隣接する位置からY接合部
へ向かって延びる幅広の湾曲部(187B、188B)
とを有するよう形成される請求項1の一体化光学チップ
(58)。
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