JPH06169129A - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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JPH06169129A
JPH06169129A JP43A JP32096492A JPH06169129A JP H06169129 A JPH06169129 A JP H06169129A JP 43 A JP43 A JP 43A JP 32096492 A JP32096492 A JP 32096492A JP H06169129 A JPH06169129 A JP H06169129A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 垂直共振器型の面発光型構成の半導体レーザ
において、分布反射型多層膜を用いて低しきい値化及び
高出力化をはかる。 【構成】 {100}結晶面を主面1Sとする半導体基
体1上に、少なくとも分布反射型多層膜3と、第1のク
ラッド層5と、活性層6と、第2のクラッド層7とを積
層形成して、各層の上部に{110}結晶面の{11
0}、{101}、{1−10}、{10−1}各結晶
面によって囲まれた斜面9A、9B‥‥を反射鏡として
設ける構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ、特に例
えば半導体レーザの出力光を基体に垂直な面方向に取り
出すいわゆる面発光型構成の半導体レーザ及びその製造
方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザは、光ディスク、光ファイ
バー通信用光源等として広く実用化されており、更に高
コヒーレンス化や高出力化等の特性の向上と共に、光変
調器などの機能デバイスとのモノリシック集積化が進め
られている。特に近年、光コンピュータ等における並列
光情報処理、或いは大容量並列光伝送などへの応用を考
えて、大規模な2次元集積化の実現が望まれている。し
かしながら、従来構成の半導体レーザは素子分離をしな
いと性能試験ができないなどの理由からモノリシックな
集積が極めて難しい。これに対して2次元集積化が可能
な半導体レーザとして、基板面に垂直な方向にレーザ光
を出射する面発光型のレーザが注目されている。
【0003】このような面発光レーザとしては、例えば
通常の半導体レーザの発光端面に対向して、基板に対し
45°の角度をなすミラー面を設け、このミラー面に反
射させてレーザ光を基板面に対し垂直な方向に取り出す
構成が採られる。そしてこのような面発光レーザをモノ
リシック構成として形成するためには、一般にRIE
(反応性イオンエッチング)、RIBE(反応性イオン
ビームエッチング)、イオンミリング等の異方性のドラ
イエッチングを利用することにより、例えば基板上に形
成した半導体層に対して基板に垂直な方向からと、45
°程度の斜め方向からとの2回の異方性エッチングを行
うことによってレーザ光出射端面とミラー面とを形成し
て得ることができる。
【0004】しかしながら、このような異方性ドライエ
ッチングにより形成する場合、そのエッチング界面には
かなりのダメージが生じ、活性層端面やミラー面を原子
層オーダー程度の平坦性をもって形成することが難し
く、また活性層端面に高反射膜を被着する場合はこの被
着によって活性層がダメージを受け、特性の変動や低下
を生じるという不都合が生じ、レーザ光を効率よく面方
向に取り出すことは難しい。
【0005】このため、基板上に半導体層と反射面とを
積層して基板面に垂直な方向に共振器を形成し、垂直方
向にレーザ光を出射させる構成が提案されている(例え
ばR.Geelsらによる「応用物理」第60巻第1号
(1991)p.2〜13)。この垂直共振器型の半導
体レーザの一例を図5を参照して説明する。
【0006】この場合例えばn型のGaAsより成る半
導体基体1の上に、例えばSiがドープされたn型の分
布反射型多層膜13が形成される。この分布反射型多層
膜13は例えばAlAsとGaAsが28.5周期積層
された構成とし得る。そしてこの上に例えば厚さ8nm
のIn0.2 Ga0.8 As等より成る量子井戸構造の活性
層6、更に例えばBeがドープされたp型の分布反射型
多層膜14が形成される。このp型分布反射型多層膜は
例えばAlAsとGaAsとが28.5周期積層された
構成とし得る。そして更にこの上にGaAs等より成
り、その厚さが発振光の波長に対し4分の1とされたキ
ャップ層15が被着される。
【0007】そして所定の幅及び長さをもって各層1
3、6、14及び15をパターニングする。即ちn型分
布反射型多層膜13に達する深さの溝をフォトリソグラ
フィ等の適用によりエッチング形成した後、ポリイミド
等より成る埋込層16により周囲を覆うようにして、こ
の上に全面的にAu等より成る電極10をスパッタリン
グ等により被着し、基体1の裏面側にも同様に電極11
を形成して、矢印LO で示すように、p型及びn型の各
分布反射型多層膜13及び14によって活性層6から発
振された光を反射するようにして、膜厚方向に共振器が
構成された垂直共振器型の半導体レーザを得ることがで
きる。
【0008】このように特に共振器を構成する反射鏡を
p型、n型の一組の分布反射型多層膜により構成る場
合、多数のヘテロ障壁を含むため低抵抗のp型伝導を得
ることが困難であり、多層膜反射鏡を電流注入型のレー
ザに用いる場合は低抵抗化が難しいという問題がある。
分布反射型多層膜として誘電体多層膜を用いることも考
えられるが、この場合製造工程が複雑になるだけでな
く、電流注入が難しくなるという問題も生じる。
【0009】また上述の構成では共振器が垂直方向に形
成されるため、利得領域長が活性層の厚さによって決ま
り、これを大とすることが難しく、得られる利得が小さ
い。このため、充分な低しきい値化をはかるためには、
分布反射型多層膜を95%程度以上の高反射率とする必
要がある。しかしながらこのように出射端面を高反射率
とする場合は、逆に外部への出射光量が小となることか
ら、高出力のレーザには適用し難いという問題がある。
【0010】一方、充分に高出力の得られる構造とし
て、通常の水平共振器型レーザの端面近傍に45°反射
鏡を形成して基板面に垂直な出力を得るものがある(例
えば"L.P.Lee et al. Appl.Phys.Lett.57(1990)pp2048-
2050" )。この構成は原理的には簡単であるが、一般に
共振器端面や45°外部反射鏡をRIBE等のエッチン
グ技術を用いて作製するため、製造工程が複雑で且つ端
面や外部反射鏡の平面度や角度精度の制御が難しい。そ
のため出射角のずれや収差等が生じる恐れがある。
【0011】更に、充分な高出力が得られる別の構造と
して、通常の水平共振器型レーザ構造を作製した後、垂
直な端面を形成せずに45°エッチングを行ってその斜
め端面を内部全反射鏡とし、曲がり共振器を構成する例
が報告されている(例えば"N.Hamao et al. Appl.Phys.
Lett.54(1989)pp2389-2391" )。しかしながらこの構造
でも上述の外部反射鏡型と同様にRIBE等のエッチン
グ技術を利用して作製するため、上述の例と同様の問題
が生じる。特に45度反射鏡の角度精度は極めて困難と
なる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、レーザ光を
基板の主面に対して垂直な方向に取り出す面発光型構成
の半導体レーザにおいて、分布反射型多層膜を用いて低
しきい値化及び高出力化をはかる。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、その一例の略
線的拡大断面図を図1に示すように、{100}結晶面
を主面1Sとする半導体基体1上に、少なくとも分布反
射型多層膜3と、第1のクラッド層5と、活性層6と、
第2のクラッド層7とを積層形成して、各層の上部に
{110}結晶面の{110}、{101}、{1−1
0}、{10−1}各結晶面によって囲まれた斜面9
A、9B‥‥を反射鏡として設ける構成とする。
【0014】また本発明は、その一例の略線的拡大断面
図を図2に示すように、{100}結晶面を主面1Sと
する半導体基体1上に、少なくとも分布反射型多層膜3
と、第1のクラッド層5を形成して、この上に{11
0}結晶面の{110}、{101}、{1−10}、
{10−1}の各結晶面によって囲まれた斜面9A、9
B‥‥を反射鏡として形成し、この斜面9A、9B‥‥
に囲まれた領域に少なくとも活性層6及び第2のクラッ
ド層7を設ける構成とする。
【0015】また更に本発明は、上述の各レーザにおい
て、分布反射型多層膜3をn型として構成する。更に本
発明は、上述の各レーザにおいて、斜面9A、9B‥‥
に囲まれた領域の底面部の最も長い辺を10μm以下と
して構成する。
【0016】
【作用】上述したように本発明においては、図1に示す
ように半導体基体1の{100}主面1S上に少なくと
も分布反射型多層膜3とレーザを構成する第1のクラッ
ド層5、活性層6及び第2のクラッド層7が形成され、
この上に{110}結晶面より成る4つの斜面9A、9
B‥‥を反射鏡として構成するものであり、活性層6の
発振光をこの反射鏡と分布反射型多層膜3とで矢印a、
b及び矢印d、eで示すように反射させて半導体層の膜
厚方向に共振器を構成し、矢印LO で示すように基体1
の裏面側に発振光を出射することができる。
【0017】このような{110}結晶面は、半導体基
体上に〈001〉結晶軸方向に沿う辺を有するメサ突起
或いは成長阻止層を設けて、MOCVD(有機金属によ
る化学的気相成長法)等のエピタキシャル成長方法によ
り半導体層を成長することによって自然発生的に得られ
る。
【0018】即ち、先の本出願人の出願に係る特願平4
−262259号出願に記載されているように、〈00
1〉結晶軸方向に延長するメサ突起或いは成長阻止層の
側部から{110}結晶面が発生すると、この{11
0}結晶面上ではエピタキシャル成長速度が極めて遅い
ことから、半導体層の成長側面がこの{110}結晶面
によって規制されて成長する。そしてこの斜面の成長を
4つの斜面が交叉するまでその成長を行うことによって
4角錐状の45°反射鏡を精度良く形成することができ
て、活性層6からの光を効率良く反射させることができ
る。
【0019】また本発明は、図2に示すように、半導体
基体1の{100}主面1S上に、少なくとも分布反射
型多層膜3と、第1のクラッド層5を形成して、この上
の{110}各結晶面によって囲まれた領域に活性層6
を設けることから、活性層6の側面を自然発生的に形成
される斜面9A、9B‥‥により規制して、この斜面に
より発振光を基体1に向かって反射させ、図2において
矢印c、d及びeで示すようにいわば下向きのコ字型の
曲がり共振器を構成して、矢印LO で示すように基体1
の裏面側にレーザ光を出射することができる。
【0020】またこの場合においても斜面が交叉するま
で成長することによって4角錐状の45°反射鏡を精度
良く形成することができ、分布反射型多層膜3から上方
向に反射された光を効率良く反射させることができる。
【0021】更に、この斜面9A、9B‥‥に囲まれた
領域に活性層を設ける場合は、特に活性層の側面をRI
E等のドライエッチングを適用することなく構成し得る
ため、活性層がダメージを受けることを回避でき、正確
な45°のミラー面を得ることができる。
【0022】またこれら本発明によれば膜厚方向に共振
器を構成することから、分布反射型多層膜3を活性層6
と半導体基体1との間に設けるのみで共振器を構成する
ことができることとなる。即ち、この分布反射型多層膜
3をn型として構成することにより、p型の分布反射型
多層膜による高抵抗化を回避することができ、低閾値化
をはかることができる。
【0023】更にまたこれら本発明において、斜面9
A、9B‥‥に囲まれた領域の底面部の最も長い辺を1
0μm以下とすることによって、この領域における発振
光の吸収を抑制して損失を低減化し、より高出力をもっ
てレーザ光を基体1の裏面側に出射させることができ
る。
【0024】
【実施例】以下本発明半導体レーザの各例を図面を参照
して詳細に説明する。各例共に、半導体1の材料として
n型のGaAsを用い、この上にn型の分布反射型多層
膜3を設ける場合を示す。
【0025】実施例1 この場合図1に示すように、半導体基体1の{100}
結晶面の例えば(100)結晶面より成る主面1S上
に、n型の例えばSiがドープされたAlAsとGaA
sとが28.5周期で交互に積層された分布反射型多層
膜3をMOCVD等により形成する。更にこの上に、n
型のAl0.2 Ga0.8 As等より成る第1のクラッド層
5、例えば8nmの厚さのIn0.2 Ga0.8 As等より
成る量子井戸構造の活性層6、p型のAl0.2 Ga0.8
As等より成る第2のクラッド層7を同様にMOCVD
等によりエピタキシャル成長する。
【0026】そしてこれら各層3〜7より成るメサ突起
20をフォトリソグラフィ等の適用によってエッチング
形成する。この場合、分布反射型多層膜3の厚さの中間
位置まで達する深さの溝をRIE等の異方性エッチング
によって形成し、メサ突起20の各側面が矢印x、yで
示す〈001〉結晶軸方向、〈0−10〉結晶軸方向に
沿う面となるように例えば平面正方形状にパターニング
形成する。
【0027】次にこのメサ突起20の各側面に高反射保
護膜4をその上部が第2のクラッド層7の上面から突出
するようにパターニング形成する。このパターニングは
例えば第2のクラッド層6上にこの第2のクラッド層6
とエッチング選択性を有する半導体層を形成した後メサ
突起20を形成するパターニングを行い、更に全面的に
気相成長等により高反射保護層を被着した後、全面的に
RIE等の異方性エッチングを行い、更にメサ突起20
上の半導体層をエッチング除去して第2のクラッド層7
を露出させて形成することができる。
【0028】そして更にこの上に、MOCVD等により
p型のAl0.3 Ga0.7 As等により成る半導体層8を
エピタキシャル成長する。このとき成長条件を常圧又は
減圧の例えば常圧MOCVDとし、成長速度を0.4n
m/s以下、V/III比を200以上、成長温度を800
℃以上として、例えばトリメチルガリウム(TMG)、
トリメチルアルミニウム(TMA)等のメチル系材料に
より形成する。
【0029】メサ突起20の上面と側面とが交わる側部
21A、21B‥‥は〈001〉結晶軸方向に沿う辺と
なり、この側部21A、21B‥‥から一旦{110}
結晶面が成長すると、この{110}結晶面上において
はエピタキシャル成長速度が極めて遅いため、半導体層
8はこの{110}結晶面より成る斜面9A、9B‥‥
を構成しながら成長する。
【0030】このメサ突起20の略線的拡大平面図を図
3に示す。図3において矢印xは〈001〉結晶軸方
向、矢印yは〈0−10〉結晶軸方向、矢印zは基体1
の主面1Sと直交する〈100〉結晶軸方向を示す。こ
の場合メサ突起20の各辺の長さLtを10μm以下の
例えば5μmとして形成する。この各側部から延長する
斜面9A、9B、9C及び9Dはそれぞれ(110)、
(1−10)、(101)及び(10−1)の各結晶面
より成り、各斜面9A〜9Dが交わるまでそのエピタキ
シャル成長を行って、4角錐状の反射鏡を構成する。
【0031】そして更に図1に示すように、これら各斜
面9A〜9Dに囲まれた4角錐状の頂部と基体1の裏面
側に電極10、11を被着して本発明による半導体レー
ザを得ることができる。この場合電極材料としては、半
導体層8を構成する例えばAlGaAsやGaAsとオ
ーミック電極を形成する材料の例えばTi/Pt/Au
を用いることができる。そしてその形状は、発振光が反
射する部分で高い反射率を得るために例えば斜面9A、
9B‥‥の下側部にのみ被着するように、例えば平面ほ
ぼ方形の中空きパターンにパターニング形成する。この
場合、電極10を被着しない部分においては、半導体層
と空気の屈折率差により比較的高い反射率を得ることが
できる。例えばGaAsと空気の場合3.62:1程度
の比較的大きい屈折率差とすることができて、反射鏡と
して十分な反射率を得ることができる。
【0032】このような構成とすることによって、活性
層6からの発振光を矢印a及びbで示すように精度良く
垂直下方向に反射させることができ、また分布反射型多
層膜3により矢印d及びeで示すように上方向に光を反
射させて、斜面9A、9B‥‥による反射鏡と分布反射
型多層膜3とによる膜厚方向の垂直共振器を構成するこ
とができる。この場合反射鏡は自然発生的に成長する結
晶面により構成することから精度良く形成され、基体1
の裏面側に矢印LO で示すように出射光を高出力で出射
させることができる。
【0033】またこの場合、n型の分布反射型多層膜3
のみによって共振器を構成することができることから、
p型分布反射型多層膜による高抵抗化を回避し、低閾値
化をはかることができる。更に、反射鏡を構成する領域
の底辺の長さを10μm以下としたことによって、光出
力の損失を抑制することができる。
【0034】実施例2 次に、本発明による他の例を図2を参照して詳細に説明
する。この場合、n型のGaAs等より成る半導体基体
1上に、例えばn型GaAsバッファ層2、n型の分布
反射型多層膜3をMOCVD等によりエピタキシャル成
長させた後に、上述の実施例1と同様の方法をもってメ
サ突起20を形成する。この場合においても矢印x、y
で示す〈001〉結晶軸方向、〈0−10〉結晶軸方向
に延長する側面を有する平面ほぼ正方形状として形成
し、各辺の長さを10μm以下の例えば10μmとして
形成する。
【0035】そしてこのメサ突起20の周囲に上述の実
施例1と同様の形成方法をもって高反射保護膜4を被着
形成した後、n型のAl0.2 Ga0.8 As等より成る第
1のクラッド層5、例えば8nmの厚さのIn0.2 Ga
0.8 As等より成る量子井戸構造の活性層6、p型のA
0.2 Ga0.8 As等より成る第2のクラッド層7、更
に例えばp型GaAs等より成る半導体層8をエピタキ
シャル成長する。
【0036】このときその成長条件を、上述の実施例1
と同様に成長速度を0.4nm以下、V/III比を200
以上、成長温度を800℃以上として常圧又は減圧の例
えば常圧MOCVD等により形成すると、{110}結
晶面の各面より成る斜面9A、9B‥‥を構成しながら
各層が成長し、各斜面9A、9B‥‥が交わるまでその
成長を行って、4角錐状の反射鏡を構成することができ
る。
【0037】そしてキャップ層8の頂部と基体1の裏面
側に電極10、11を被着して本発明による半導体レー
ザを得ることができる。この場合電極材料としては、上
述の実施例1と同様に例えばTi/Pt/Auを用いる
ことができ、その形状は、活性層6からの発振光が斜面
9A、9B‥‥で高反射率をもって反射されるように形
成する。即ちこの場合は頂部のみに被着する。
【0038】このような構成とすることによって、矢印
cで示す活性層内の発振光を、斜面9A、9Bによって
規制される活性層6の端面によって下方へ反射させると
共に分布反射型多層膜3により矢印d及びeで示すよう
に上方向に光を反射させて、更に斜面9A、9B‥‥に
よる反射鏡によって下方に反射させて、この反射鏡と分
布反射型多層膜3とによる膜厚方向の垂直共振器を構成
することができる。
【0039】この場合においても反射鏡を自然発生的に
成長する結晶面により構成することから精度良く形成す
ることができ、高出力でレーザ光を出射させることがで
きると共に、n型の分布反射型多層膜3のみによって共
振器を構成することができることから、p型分布反射型
多層膜による高抵抗化を回避することができる。更に、
反射鏡を構成する領域の底辺の長さを10μm以下とし
たことによって、光出力の損失を抑制することができ
る。
【0040】更にまたこの場合、斜面9A、9B‥‥に
より囲まれた領域に活性層6を設ける構成とすることか
ら、活性層6の端面をRIE等のエッチングによる加工
を施すことなく自然発生的に生じる結晶面により構成す
ることができ、良好な結晶性をもってレーザを構成する
ことができる。
【0041】実施例3 次に、本発明の他の例を図4を参照して詳細に説明す
る。図3において、図1及び図2に対応する部分には同
一符号を付して重複説明を省略する。
【0042】この例においては、半導体基体1上に分布
反射型多層膜3、n型の第1のクラッド層5、活性層6
及びp型の第2のクラッド層7をエピタキシャル成長し
た後、共振器を構成する領域を規制するように不純物を
注入して拡散領域23を形成し、この後、誘電体等より
成る成長阻止層24を、矢印x、yで示す〈001〉結
晶軸、〈0−10〉結晶軸方向に延長する内側面を有す
るパターンとして、特にその各側面の長さを10μm以
下の例えば10μmとして形成する。そしてこの上に更
にGaAs等より成る例えばキャップ層8を例えば上述
の実施例1及び2と同様の成長条件をもってエピタキシ
ャル成長し、{110}結晶面より成る各斜面9A、9
B‥‥によって構成される4角錐状の反射鏡を形成す
る。
【0043】そして矢印a、bで示すように反射鏡によ
りレーザ光を反射させ、またn型の分布反射型多層膜3
により矢印d及びeで示すように情報に反射させて共振
器を構成し、基体1の裏面側に矢印LO で示すようにレ
ーザ光を出射させることができる。
【0044】この場合においても垂直共振器を結晶面よ
り成る反射鏡によって構成することができて高出力でレ
ーザ光を出射させることができると共に、n型の分布反
射型多層膜3のみによって共振器を構成することができ
ることから、p型分布反射型多層膜による高抵抗化を回
避することができる。更に、反射鏡を構成する領域の底
辺の長さを10μm以下としたことによって、光出力の
損失を抑制することができる。
【0045】尚、上述の各例においてはGaAs系の半
導体基体を用いて、この上にAlGaAs系の分布反射
型多層膜、クラッド層、InGaAs系の活性層を設け
た場合であるが、その他例えばInP系、GaAlIn
As系、InGaAsP系等の各種の化合物半導体レー
ザに本発明を適用することができ、その構成においても
上述の各実施例の他種々の変形変更が可能であることは
いうまでもない。
【0046】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、垂直
共振器型の面発光レーザを精度良く形成することができ
て、高出力化をはかることができる。
【0047】また、活性層を反射鏡を構成する領域に形
成することによって、良好な結晶性をもってエピタキシ
ャル成長することができる。
【0048】更に、p型の分布反射型多層膜を形成する
ことなく共振器を構成することができることから、p型
分布反射型多層膜による高抵抗化を回避し、これにより
低閾値化をはかることができる。
【0049】また更に、反射鏡を構成する領域の底辺の
長さを10μm以下とすることによって、光出力の損失
を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の略線的拡大断面図であ
る。
【図2】本発明の第2実施例の略線的拡大断面図であ
る。
【図3】本発明の各実施例の要部の略線的拡大平面図で
ある。
【図4】本発明の第3実施例の略線的拡大断面図であ
る。
【図5】従来の半導体レーザの一例の略線的拡大断面図
である。
【符号の説明】
1 半導体基体 2 バッファ層 3 分布反射型多層膜 4 高反射保護膜 5 第1のクラッド層 6 活性層 7 第2のクラッド層 8 半導体層 9A 斜面 9B 斜面 9C 斜面 9D 斜面 20 メサ突起

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 {100}結晶面を主面とする半導体基
    体上に、少なくとも分布反射型多層膜と、第1のクラッ
    ド層と、活性層と、第2のクラッド層とが積層形成さ
    れ、 上記各層の上部に{110}結晶面の{110}、{1
    01}、{1−10}、{10−1}の各結晶面によっ
    て囲まれた斜面が反射鏡として設けられて成ることを特
    徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 {100}結晶面を主面とする半導体基
    体上に、少なくとも分布反射型多層膜と、第1のクラッ
    ド層が形成され、 この上に{110}結晶面の{110}、{101}、
    {1−10}、{10−1}の各結晶面によって囲まれ
    た斜面が反射鏡として形成され、上記斜面に囲まれた領
    域に少なくとも活性層及び第2のクラッド層が設けられ
    て成ることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 上記請求項1又は2に記載の半導体レー
    ザにおいて、 上記分布反射型多層膜がn型とされることを特徴とする
    半導体レーザ。
  4. 【請求項4】 上記請求項1又は2に記載の半導体レー
    ザにおいて、 上記斜面に囲まれた領域の底面部の最も長い辺が10μ
    m以下とされて成ることを特徴とする半導体レーザ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108780679A (zh) * 2016-02-24 2018-11-09 株式会社自动网络技术研究所 带外装部件的电线
JP2021166272A (ja) * 2020-04-08 2021-10-14 住友電気工業株式会社 面発光レーザおよびその製造方法

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CN108780679B (zh) * 2016-02-24 2020-05-19 株式会社自动网络技术研究所 带外装部件的电线
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