JP2013105813A - 半導体レーザ装置組立体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体レーザ装置組立体は、(A)光密度が、10ギガワット/cm2以上であり、且つ、キャリア密度が1×1019/cm3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子10、及び、(B)モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系110を備えている。
【選択図】 図1
Description
光密度が、1×1010ワット/cm2以上、好ましくは1.4×1010ワット/cm2以上であり、且つ、キャリア密度が1×1019/cm3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備えている。
電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備え、
分散補償光学系の群速度分散値を、第1の所定値GVD1から第2の所定値GVD2(但し、|GVD1|<|GVD2|)まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値PWminを超えて増加する。尚、単調に変化させるとは、GVD1<GVD2の場合、単調に増加させることを意味し、GVD1>GVD2の場合、単調に減少させることを意味する。
1.本開示の第1の態様及び第2の態様に係る半導体レーザ装置組立体、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の第1の態様及び第2の態様に係る半導体レーザ装置組立体)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1の変形)
5.実施例4(実施例1〜実施例3の変形)、その他
本開示の第2の態様に係る半導体レーザ装置組立体において、系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が極小値PWminとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をGVDminとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第1の所定値GVD1であるときのレーザ光のパルス時間幅をPW1、分散補償光学系の群速度分散値が負の第2の所定値GVD2であるときのレーザ光のパルス時間幅をPW2としたとき、例えば、
(PW1−PWmin)/|GVDmin−GVD1|
≧2×(PW2−PWmin)/|GVD2−GVDmin|
但し、
|GVD1/GVDmin|=0.5
|GVD2/GVDmin|=2
を満足することが好ましい。
GVDS±|GVDmin−GVDS|
で定義される。
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型を有する第1化合物半導体層、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層(活性層)、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する構成とすることができる。そして、更には、この場合、分散補償光学系における群速度分散値は負である構成とすることが好ましい。但し、群速度分散値は、モード同期半導体レーザ素子の構成、構造、半導体レーザ装置組立体の構成、構造、駆動方法(例えば、キャリア注入領域(利得領域)に印加する電流量、可飽和吸収領域(キャリア非注入領域)に印加する逆バイアス電圧、駆動温度)等に基づき全体で決定すればよく、モード同期半導体レーザ素子の構成、構造、半導体レーザ装置組立体の構成、構造、駆動方法等に依存して、正の値も取り得る。
波長選択手段(波長選択装置)を備え、
波長選択手段(波長選択装置)は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する構成とすることができる。
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、モード同期半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される形態とすることができる。
バイ・セクション型のモード同期半導体レーザ素子は、
(a)第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層(活性層)、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層上に形成された帯状の第2電極、並びに、
(c)第1化合物半導体層に電気的に接続された第1電極、
を備え、
第2電極は、発光領域を経由して第1電極に直流電流を流すことで順バイアス状態とするための第1部分と、可飽和吸収領域に電界を加えるための第2部分とに、分離溝によって分離されている形態とすることができる。
第3化合物半導体層は、井戸層及び障壁層を備えた量子井戸構造を有し、
井戸層の厚さは、1nm以上、10nm以下、好ましくは、1nm以上、8nm以下であり、
障壁層の不純物ドーピング濃度は、2×1018cm-3以上、1×1020cm-3以下、好ましくは、1×1019cm-3以上、1×1020cm-3以下である形態とすることができる。尚、このようなモード同期半導体レーザ素子を、便宜上、『第3の構成のモード同期半導体レーザ素子』と呼ぶ場合がある。尚、活性層に量子井戸構造を採用することで、量子ドット構造を採用するよりも高い注入電流量を実現することができ、容易に高出力を得ることができる。
0<X’<1500
好ましくは、
30≦X’≦500
であることが望ましい。ここで、外部共振器は、モード同期半導体レーザ素子の第1端面と、外部共振器構造を構成する反射鏡あるいは部分反射鏡によって構成され、外部共振器長さとは、モード同期半導体レーザ素子の第1端面と、外部共振器構造を構成する反射鏡あるいは部分反射鏡との間の距離である。
第2電極の幅は、0.5μm以上、50μm以下、好ましくは1μm以上、5μm以下、
リッジストライプ構造の高さは、0.1μm以上、10μm以下、好ましくは0.2μm以上、1μm以下、
第2電極を第1部分と第2部分とに分離する分離溝の幅は、1μm以上、モード同期半導体レーザ素子における共振器長(以下、単に『共振器長』と呼ぶ)の50%以下、好ましくは10μm以上、共振器長の10%以下であることが望ましい。共振器長として、0.6mmを例示することができるが、これに限定するものではない。リッジストライプ構造の両側面よりも外側に位置する第2化合物半導体層の部分の頂面から第3化合物半導体層(活性層)までの距離(D)は1.0×10-7m(0.1μm)以上であることが好ましい。距離(D)をこのように規定することによって、第3化合物半導体層の両脇(Y方向)に可飽和吸収領域を確実に形成することができる。距離(D)の上限は、閾値電流の上昇、温度特性、長期駆動時の電流上昇率の劣化等に基づき決定すればよい。尚、以下の説明において、共振器長方向をX方向とし、積層構造体の厚さ方向をZ方向とする。
(1)1つの第2電極の第1部分と1つの第2電極の第2部分とが設けられ、第2電極の第1部分と、第2電極の第2部分とが、分離溝を挟んで配置されている状態
(2)1つの第2電極の第1部分と2つの第2電極の第2部分とが設けられ、第1部分の一端が、一方の分離溝を挟んで、一方の第2部分と対向し、第1部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第2部分と対向している状態
(3)2つの第2電極の第1部分と1つの第2電極の第2部分とが設けられ、第2部分の端部が、一方の分離溝を挟んで、一方の第1部分と対向し、第2部分の他端が、他方の分離溝を挟んで、他方の第1部分と対向している状態(即ち、第2電極は、第2部分を第1部分で挟んだ構造)
を挙げることができる。また、広くは、
(4)N個の第2電極の第1部分と(N−1)個の第2電極の第2部分とが設けられ、第2電極の第1部分が第2電極の第2部分を挟んで配置されている状態
(5)N個の第2電極の第2部分と(N−1)個の第2電極の第1部分とが設けられ、第2電極の第2部分が第2電極の第1部分を挟んで配置されている状態
を挙げることができる。尚、(4)及び(5)の状態は、云い換えれば、
(4’)N個の発光領域[キャリア注入領域、利得領域]と(N−1)個の可飽和吸収領域[キャリア非注入領域]とが設けられ、発光領域が可飽和吸収領域を挟んで配置されている状態
(5’)N個の可飽和吸収領域[キャリア非注入領域]と(N−1)個の発光領域[キャリア注入領域、利得領域]とが設けられ、可飽和吸収領域が発光領域を挟んで配置されている状態
である。尚、(3)、(5)、(5’)の構造を採用することで、モード同期半導体レーザ素子の光出射端面における損傷が発生し難くなる。
(A)基体上に、第1導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層、GaN系化合物半導体から成る発光領域及び可飽和吸収領域を構成する第3化合物半導体層、並びに、第1導電型と異なる第2導電型を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層が、順次、積層されて成る積層構造体を形成した後、
(B)第2化合物半導体層上に帯状の第2電極を形成し、次いで、
(C)第2電極をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層の一部分をエッチングして、リッジストライプ構造を形成した後、
(D)分離溝を第2電極に形成するためのレジスト層を形成し、次いで、レジスト層をウエットエッチング用マスクとして、第2電極に分離溝をウエットエッチング法にて形成し、以て、第2電極を第1部分と第2部分とに分離溝によって分離する、
各工程を具備した製造方法に基づき製造することができる。
光密度が、1×1010ワット/cm2以上であり、且つ、キャリア密度が1×1019/cm3以上である電流注入型であって受動モード同期のモード同期半導体レーザ素子10、及び、
モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系110、
を備えている。
電流注入型であって受動モード同期のモード同期半導体レーザ素子10、及び、
モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系110、
を備え、
分散補償光学系110の群速度分散値を、第1の所定値GVD1から第2の所定値GVD2(但し、|GVD1|<|GVD2|)まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子10から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値PWminを超えて増加する。
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型を有する第1化合物半導体層30、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層(活性層)40、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2化合物半導体層50、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する。
dG×{sin(α)+sin(β)}=m・λ (A)
θB=(α+β)/2
となる。また、このときの波長をブレーズ波長といい、λBと表すと、
λB={2dG/m}sin(θB)・cos(α−θB)
となる。
(a)第1導電型(各実施例においては、具体的には、n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層30、GaN系化合物半導体から成る発光領域(利得領域)41及び可飽和吸収領域42を構成する第3化合物半導体層(活性層)40、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(各実施例においては、具体的には、p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層50が、順次、積層されて成る積層構造体、
(b)第2化合物半導体層50上に形成された帯状の第2電極62、並びに、
(c)第1化合物半導体層30に電気的に接続された第1電極61、
を備えている。
第2化合物半導体層50
p型GaNコンタクト層(Mgドープ)54
p型GaN(Mgドープ)/AlGaN超格子クラッド層53
p型AlGaN電子障壁層(Mgドープ)52
ノンドープGaInN光ガイド層51
第3化合物半導体層40
GaInN量子井戸活性層
(井戸層:Ga0.92In0.08N/障壁層:Ga0.98In0.02N)
第1化合物半導体層30
n型GaNクラッド層32
n型AlGaNクラッド層31
但し、
井戸層(2層) 8nm ノン・ドープ
障壁層(3層) 14nm Siドープ
f=c/(2n・X’)
GVDS±|GVDmin−GVDS|
で定義される。
光パルス「B」:−0.0406ps2
光パルス「C」:−0.0443ps2
光パルス「D」:−0.0497ps2
光パルス「E」:−0.0630ps2
群速度分散値(ps2)=―5.352×10-3×L(mm)
といった関係が存在する。尚、
群速度分散値=−(λ3/(π・c2・dG 2・cos2θr))・2・L
で一般的には与えられる。ここで、
λ :波長
c :光速
dG:回折格子の溝の間隔
θr:回折格子の法線に対する回折光の角度
である。
(PW1−PWmin)/|GVDmin−GVD1|
≧2×(PW2−PWmin)/|GVD2−GVDmin|
を満足している。但し、
|GVD1/GVDmin|=0.53
|GVD2/GVDmin|=2.1
である。具体的には、
PW1 =5.3ピコ秒
PW2 =2.9ピコ秒
PWmin =0.4ピコ秒
GVD1 =−0.0255ps2
GVD2 =−0.101ps2
GVDmin=−0.048ps2
である。
ゲイン電流I パルス時間幅A パルス時間幅B
100 2.35 0.80
105 2.00 0.55
110 1.75 0.37
115 1.50 0.29
120 1.23 0.55
125 1.20 0.37
130 1.03 0.29
(1)第2化合物半導体層50をエッチングするときのエッチング用マスクとしての機能を有すること。
(2)第2化合物半導体層50の光学的、電気的特性に劣化を生じさせることなく、第2電極62はウエットエッチング可能であること。
(3)第2化合物半導体層50上に成膜したとき、10-2Ω・cm2以下のコンタクト比抵抗値を示すこと。
(4)積層構造とする場合、下層金属層を構成する材料は、仕事関数が大きく、第2化合物半導体層50に対して低いコンタクト比抵抗値を示し、しかも、ウエットエッチング可能であること。
(5)積層構造とする場合、上層金属層を構成する材料は、リッジストライプ構造を形成する際のエッチングに対して(例えば、RIE法において使用されるCl2ガス)に対して耐性があり、しかも、ウエットエッチング可能であること。
先ず、基体上、具体的には、n型GaN基板21の(0001)面上に、周知のMOCVD法に基づき、第1導電型(n型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第1化合物半導体層30、GaN系化合物半導体から成る発光領域(利得領域)41及び可飽和吸収領域42を構成する第3化合物半導体層(活性層40)、並びに、第1導電型と異なる第2導電型(p型導電型)を有し、GaN系化合物半導体から成る第2化合物半導体層50が、順次、積層されて成る積層構造体を形成する(図18の(A)参照)。
その後、第2化合物半導体層50上に帯状の第2電極62を形成する。具体的には、真空蒸着法に基づきPd層63を全面に成膜した後(図18の(B)参照)、Pd層63上に、フォトリソグラフィ技術に基づき帯状のエッチング用レジスト層を形成する。そして、王水を用いて、エッチング用レジスト層に覆われていないPd層63を除去した後、エッチング用レジスト層を除去する。こうして、図19の(A)に示す構造を得ることができる。尚、リフトオフ法に基づき、第2化合物半導体層50上に帯状の第2電極62を形成してもよい。
次いで、第2電極62をエッチング用マスクとして、少なくとも第2化合物半導体層50の一部分をエッチングして(具体的には、第2化合物半導体層50の一部分をエッチングして)、リッジストライプ構造を形成する。具体的には、Cl2ガスを用いたRIE法に基づき、第2電極62をエッチング用マスクとして用いて、第2化合物半導体層50の一部分をエッチングする。こうして、図19の(B)に示す構造を得ることができる。このように、帯状にパターニングされた第2電極62をエッチング用マスクとして用いてセルフアライン方式にてリッジストライプ構造を形成するので、第2電極62とリッジストライプ構造との間に合わせずれが生じることがない。
その後、分離溝を第2電極62に形成するためのレジスト層64を形成する(図20参照)。尚、参照番号65は、分離溝を形成するために、レジスト層64に設けられた開口部である。次いで、レジスト層64をウエットエッチング用マスクとして、第2電極62に分離溝62Cをウエットエッチング法にて形成し、以て、第2電極62を第1部分62Aと第2部分62Bとに分離溝62Cによって分離する。具体的には、王水をエッチング液として用い、王水に約10秒、全体を浸漬することで、第2電極62に分離溝62Cを形成する。そして、その後、レジスト層64を除去する。こうして、図2及び図3に示す構造を得ることができる。このように、ドライエッチング法と異なり、ウエットエッチング法を採用することで、第2化合物半導体層50の光学的、電気的特性に劣化が生じることがない。それ故、モード同期半導体レーザ素子の発光特性に劣化が生じることがない。尚、ドライエッチング法を採用した場合、第2化合物半導体層50の内部損失αiが増加し、閾値電圧が上昇したり、光出力の低下を招く虞がある。ここで、第2電極62のエッチングレートをER0、積層構造体のエッチングレートをER1としたとき、
ER0/ER1≒1×102
である。このように、第2電極62と第2化合物半導体層50との間に高いエッチング選択比が存在するが故に、積層構造体をエッチングすること無く(あるいは、エッチングされても僅かである)、第2電極62を確実にエッチングすることができる。尚、ER0/ER1≧1×10、好ましくは、ER0/ER1≧1×102を満足することが望ましい。
その後、n側電極の形成、基板の劈開等を行い、更に、パッケージ化を行うことで、モード同期半導体レーザ素子10を作製することができる。
モード同期半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光は、分散補償光学系120に入射され、
分散補償光学系120に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系120から出射され、モード同期半導体レーザ素子10に戻され、分散補償光学系120に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される。
実施例3 参考例3
井戸層 8nm 10.5nm
障壁層 12nm 14nm
井戸層の不純物ドーピング濃度 ノン・ドープ ノン・ドープ
障壁層の不純物ドーピング濃度 Si:2×1018cm-3 ノン・ドープ
0<θ≦10(度)
好ましくは、
0<θ≦6(度)
とすることが望ましい。斜めリッジストライプ型を採用することで、無反射コートをされた第2端面の反射率を、より0%の理想値に近づけることができ、その結果、モード同期半導体レーザ素子内で周回してしまうレーザ光の発生を防ぐことができ、メインのレーザ光に付随する副次的なレーザ光の生成を抑制できるといった利点を得ることができる。
[1]《半導体レーザ装置組立体:第1の態様》
光密度が1×1010ワット/cm2以上であり、且つ、キャリア密度が1×1019/cm3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備えた半導体レーザ装置組立体。
[2]モード同期半導体レーザ素子は可飽和吸収領域を有する[1]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[3]モード同期半導体レーザ素子は、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型を有する第1化合物半導体層、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する[2]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[4]分散補償光学系における群速度分散値は負である[3]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[5]系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値となる群速度分散値あるいはその近傍において動作させられる[1]乃至[4]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[6]波長選択手段を備え、
波長選択手段は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する[1]乃至[5]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[7]モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、モード同期半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される[1]乃至[6]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
[8]《半導体レーザ装置組立体:第2の態様》
電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備え、
分散補償光学系の群速度分散値を、第1の所定値GVD1から第2の所定値GVD2(但し、|GVD1|<|GVD2|)まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値PWminを超えて増加する半導体レーザ装置組立体。
[9]系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が極小値PWminとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をGVDminとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第1の所定値GVD1であるときのレーザ光のパルス時間幅をPW1、分散補償光学系の群速度分散値が負の第2の所定値GVD2であるときのレーザ光のパルス時間幅をPW2としたとき、
(PW1−PWmin)/|GVDmin−GVD1|
≧2×(PW2−PWmin)/|GVD2−GVDmin|
但し、
|GVD1/GVDmin|=0.5
|GVD2/GVDmin|=2
を満足する[8]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[10]系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値PWminとなる群速度分散極小値GVDminあるいはその近傍において動作させられる[8]又は[9]に記載の半導体レーザ装置組立体。
[11]系外に出力されるレーザ光の主発振周波数に対する雑音成分は−60dB以下である[8]乃至[10]のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置組立体。
Claims (11)
- 光密度が1×1010ワット/cm2以上であり、且つ、キャリア密度が1×1019/cm3以上である電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備えた半導体レーザ装置組立体。 - モード同期半導体レーザ素子は可飽和吸収領域を有する請求項1に記載の半導体レーザ装置組立体。
- モード同期半導体レーザ素子は、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型を有する第1化合物半導体層、
GaN系化合物半導体から成る第3化合物半導体層、及び、
GaN系化合物半導体から成り、第1導電型とは異なる第2導電型を有する第2化合物半導体層、
が、順次、積層されて成る積層構造体を有する請求項2に記載の半導体レーザ装置組立体。 - 分散補償光学系における群速度分散値は負である請求項3に記載の半導体レーザ装置組立体。
- 系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値となる群速度分散値あるいはその近傍において動作させられる請求項1に記載の半導体レーザ装置組立体。
- 波長選択手段を備え、
波長選択手段は、系外に出力されるレーザ光の短波長成分を抽出する請求項1に記載の半導体レーザ装置組立体。 - モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光は、分散補償光学系に入射され、
分散補償光学系に入射したレーザ光の一部は、分散補償光学系から出射され、モード同期半導体レーザ素子に戻され、分散補償光学系に入射したレーザ光の残りは、系外に出力される請求項1に記載の半導体レーザ装置組立体。 - 電流注入型のモード同期半導体レーザ素子、及び、
モード同期半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が入出射される分散補償光学系、
を備え、
分散補償光学系の群速度分散値を、第1の所定値GVD1から第2の所定値GVD2(但し、|GVD1|<|GVD2|)まで単調に変化させたとき、モード同期半導体レーザ素子から系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅は、減少し、極小値PWminを超えて増加する半導体レーザ装置組立体。 - 系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が極小値PWminとなるときの分散補償光学系の群速度分散極小値をGVDminとし、分散補償光学系の群速度分散値が負の第1の所定値GVD1であるときのレーザ光のパルス時間幅をPW1、分散補償光学系の群速度分散値が負の第2の所定値GVD2であるときのレーザ光のパルス時間幅をPW2としたとき、
(PW1−PWmin)/|GVDmin−GVD1|
≧2×(PW2−PWmin)/|GVD2−GVDmin|
但し、
|GVD1/GVDmin|=0.5
|GVD2/GVDmin|=2
を満足する請求項8に記載の半導体レーザ装置組立体。 - 系外に出力されるレーザ光のパルス時間幅が最小値PWminとなる群速度分散極小値GVDminあるいはその近傍において動作させられる請求項8に記載の半導体レーザ装置組立体。
- 系外に出力されるレーザ光の主発振周波数に対する雑音成分は−60dB以下である請求項8に記載の半導体レーザ装置組立体。
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