JPH06235843A - 光デバイス - Google Patents
光デバイスInfo
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- JPH06235843A JPH06235843A JP5351542A JP35154293A JPH06235843A JP H06235843 A JPH06235843 A JP H06235843A JP 5351542 A JP5351542 A JP 5351542A JP 35154293 A JP35154293 A JP 35154293A JP H06235843 A JPH06235843 A JP H06235843A
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- JP
- Japan
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- waveguide
- substrate
- optical device
- laminated portion
- laminated
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device
- G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
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- G—PHYSICS
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 光を基板導波路から基板外の導波路に結合す
る光デバイスを提供することにある。 【構成】 基板（１１）に設けた光導波路（１３）から
成る光デバイスであって、該導波路長の一部は同一長さ
を有する結合光導波路部の積層部（１５）の１つを形成
し、該積層部は前記導波路（１３）を伝播して該積層部
（１５）の一端に入る所定周波数の光波が前記積層部の
他端で隣接各導波路で実質的に同位相である光波を放つ
ような長さであることを特徴とする。デバイスは光を基
板導波路から別の導波路、例えば基板（１１）外の光フ
ァイバ（２７）に結合させる場合に特に応用される。
る光デバイスを提供することにある。 【構成】 基板（１１）に設けた光導波路（１３）から
成る光デバイスであって、該導波路長の一部は同一長さ
を有する結合光導波路部の積層部（１５）の１つを形成
し、該積層部は前記導波路（１３）を伝播して該積層部
（１５）の一端に入る所定周波数の光波が前記積層部の
他端で隣接各導波路で実質的に同位相である光波を放つ
ような長さであることを特徴とする。デバイスは光を基
板導波路から別の導波路、例えば基板（１１）外の光フ
ァイバ（２７）に結合させる場合に特に応用される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光デバイスに関する。
更に詳しくは本発明は基板に形成されたプレーナ型光導
波路を基板外導波路、例えば光ファイバに結合するのに
適した光デバイスに関する。
更に詳しくは本発明は基板に形成されたプレーナ型光導
波路を基板外導波路、例えば光ファイバに結合するのに
適した光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体材料の基板に形成されたプレーナ
型光導波路は一般に導波路を形成する材料間に比較的大
きな屈折率の差がある。その結果、比較的薄い層構造で
も強い光導波性が得られる。実際、層があまり厚過ぎる
と、導波路は１以上の導波モードを保有する。薄い層で
得られる比較的強い導波性は、製造の観点から見ると、
構造を非常に厚く成長させる必要がないので有利であ
る。しかし、光が導波路から光ファイバに結合されると
きに問題が起こる。半導体の強い導波路は、光ファイバ
の半径が通常３〜６μｍであるのに対し、通常０．５〜
１．０μｍの大きさの点程度の半径である。このため、
組立公差がきつくなり結合の能率が上がらないか複雑な
光学系の整合装置が必要となる。波が基板導波路の末端
から拡がることができるならば、点くらいの寸法でも整
合させることができるが、波の外側部の位相が中央部と
相殺して、結合効率が一層悪くなる。
型光導波路は一般に導波路を形成する材料間に比較的大
きな屈折率の差がある。その結果、比較的薄い層構造で
も強い光導波性が得られる。実際、層があまり厚過ぎる
と、導波路は１以上の導波モードを保有する。薄い層で
得られる比較的強い導波性は、製造の観点から見ると、
構造を非常に厚く成長させる必要がないので有利であ
る。しかし、光が導波路から光ファイバに結合されると
きに問題が起こる。半導体の強い導波路は、光ファイバ
の半径が通常３〜６μｍであるのに対し、通常０．５〜
１．０μｍの大きさの点程度の半径である。このため、
組立公差がきつくなり結合の能率が上がらないか複雑な
光学系の整合装置が必要となる。波が基板導波路の末端
から拡がることができるならば、点くらいの寸法でも整
合させることができるが、波の外側部の位相が中央部と
相殺して、結合効率が一層悪くなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】基板平面に平行な面で
基板に設けた導波路をテーパにするという問題を解決す
ることは比較的簡単である。しかし、基板の面に直角な
方向でテーパにすることは、例えば集積光学研究会議の
１９８９年の会報の第１３６頁にＶ．コーレン等による
「テーパ形導波路InGa/InGaAsP多量子井戸レーザ」と題
する研究論文に見られるように、かなり難しい。そこ
で、本発明の目的は上述の問題を軽減した光デバイスを
提供することにある。
基板に設けた導波路をテーパにするという問題を解決す
ることは比較的簡単である。しかし、基板の面に直角な
方向でテーパにすることは、例えば集積光学研究会議の
１９８９年の会報の第１３６頁にＶ．コーレン等による
「テーパ形導波路InGa/InGaAsP多量子井戸レーザ」と題
する研究論文に見られるように、かなり難しい。そこ
で、本発明の目的は上述の問題を軽減した光デバイスを
提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、基板に
設けた光導波路から成る光デバイスであって、該導波路
長の一部は同一長さを有する結合光導波路部の積層部の
１つを形成し、該積層部は前記導波路を伝播して該積層
部の一端に入る所定周波数の光波が前記積層部の他端で
隣接各導波路で実質的に同位相である光波を放つような
長さである光デバイスが提供される。好ましくは、積層
部他端の波も実質的に隣接各導波路部で同じ振幅である
ことが望ましい。本発明の特例の１つとして、前記積層
部は奇数の導波路部から成り、その一部の導波路は積層
部の中央部を構成する。このような構成を有する前記積
層部は中央部を中心にして対称にすることが望ましい。
都合のよい奇数は３である。
設けた光導波路から成る光デバイスであって、該導波路
長の一部は同一長さを有する結合光導波路部の積層部の
１つを形成し、該積層部は前記導波路を伝播して該積層
部の一端に入る所定周波数の光波が前記積層部の他端で
隣接各導波路で実質的に同位相である光波を放つような
長さである光デバイスが提供される。好ましくは、積層
部他端の波も実質的に隣接各導波路部で同じ振幅である
ことが望ましい。本発明の特例の１つとして、前記積層
部は奇数の導波路部から成り、その一部の導波路は積層
部の中央部を構成する。このような構成を有する前記積
層部は中央部を中心にして対称にすることが望ましい。
都合のよい奇数は３である。
【０００５】
【作用及び実施例】以下、一例として添付図面を参照し
て本発明に係る光デバイスを説明する。図１を参照して
説明すると、デバイス、例えば導波路に沿って伝播する
光を光ファイバに結合するのに用いられるデバイスが基
板１１に形成されている。導波路は基板１１材料よりも
高い屈折率を持つ材料で埋設状態で細長いストライプ１
３に形成され、主面の１つに隣接して基板に沿って延び
ている。導波路は長さ方向の一部にわたって基板１１端
面を終端とする３つの平行な導波路部から成る積層部１
５の中央導波路部を形成する。積層部１５の外側導波路
部は２つの更に細長いストライプ１７及び１９で構成さ
れ、これらは基板１１材料よりも高い屈折率を持つ材料
で形成されている。この２つのストライプ１７と１９は
それぞれ基板１１の面に垂直な方向にストライプ１３の
上下に配置され、それぞれ基板１１と同材料の薄い層２
１と２３により分離され、上部ストライプ１９は更に基
板１１と同材料の層２５により被覆されている。
て本発明に係る光デバイスを説明する。図１を参照して
説明すると、デバイス、例えば導波路に沿って伝播する
光を光ファイバに結合するのに用いられるデバイスが基
板１１に形成されている。導波路は基板１１材料よりも
高い屈折率を持つ材料で埋設状態で細長いストライプ１
３に形成され、主面の１つに隣接して基板に沿って延び
ている。導波路は長さ方向の一部にわたって基板１１端
面を終端とする３つの平行な導波路部から成る積層部１
５の中央導波路部を形成する。積層部１５の外側導波路
部は２つの更に細長いストライプ１７及び１９で構成さ
れ、これらは基板１１材料よりも高い屈折率を持つ材料
で形成されている。この２つのストライプ１７と１９は
それぞれ基板１１の面に垂直な方向にストライプ１３の
上下に配置され、それぞれ基板１１と同材料の薄い層２
１と２３により分離され、上部ストライプ１９は更に基
板１１と同材料の層２５により被覆されている。
【０００６】デバイスの動作中、ストライプ１３として
組み込まれている導波路に沿って積層部１５の導波路部
の方向に伝播する光は、積層部１５に到達したとき積層
部１５の他の２つの導波路部に結合される。更に以下に
説明するように、積層部１５はストライプ１３を組み込
む導波路が積層部１５に入るところと反対のストライプ
１５の末端、すなわち基板１１の端面で、３つの導波路
部に隣接する波が同相であるように設計される。光が結
合されることになっている光ファイバ２７は、図１に示
すように積層部１５の末端に隣接して配置される。実
際、導波路部は、積層部１５の２つの外側導波路部の波
が積層部１５の中央導波路部の波と比較して同相で丁度
２π遅れるような長さにされるのに対して長さに垂直な
方向では導波路部はファイバと効率よく結合する所要寸
法で電界を維持するのに十分な大きさにされる。所要電
界パターンが発生する積層部１５の最小長さがあるが、
それ以上においては所要パターンが積層部１５の長さに
応じて周期的に繰り返す。
組み込まれている導波路に沿って積層部１５の導波路部
の方向に伝播する光は、積層部１５に到達したとき積層
部１５の他の２つの導波路部に結合される。更に以下に
説明するように、積層部１５はストライプ１３を組み込
む導波路が積層部１５に入るところと反対のストライプ
１５の末端、すなわち基板１１の端面で、３つの導波路
部に隣接する波が同相であるように設計される。光が結
合されることになっている光ファイバ２７は、図１に示
すように積層部１５の末端に隣接して配置される。実
際、導波路部は、積層部１５の２つの外側導波路部の波
が積層部１５の中央導波路部の波と比較して同相で丁度
２π遅れるような長さにされるのに対して長さに垂直な
方向では導波路部はファイバと効率よく結合する所要寸
法で電界を維持するのに十分な大きさにされる。所要電
界パターンが発生する積層部１５の最小長さがあるが、
それ以上においては所要パターンが積層部１５の長さに
応じて周期的に繰り返す。
【０００７】積層部１５を設計する問題で、最良の結合
を達成する理論的な方法を以下に説明する。その方法は
所望の電界パターンを得るために積層部１５で励起し積
層部１５で重ね合わされる導波モード０と２の概念を導
入することである。光ファイバ２７に隣接する積層部１
５の末端で効率よく結合するこれら２つのモードの所要
電界強度分布がそれぞれ図２と図３に示されている。以
下に説明するように、反対称モード１は積層部１５で励
起しない。モード０と２は積層部１５内で異なった伝播
定数σ0 とσ2 を持ち、その結果π／（σ0 −σ2 ）に
等しい距離Ｌの後、これら２つのモードは互いに関連し
て同相で１８０°だけずれ、強度分布は必要とされるな
ら図２と図３に示されているような状態になる。
を達成する理論的な方法を以下に説明する。その方法は
所望の電界パターンを得るために積層部１５で励起し積
層部１５で重ね合わされる導波モード０と２の概念を導
入することである。光ファイバ２７に隣接する積層部１
５の末端で効率よく結合するこれら２つのモードの所要
電界強度分布がそれぞれ図２と図３に示されている。以
下に説明するように、反対称モード１は積層部１５で励
起しない。モード０と２は積層部１５内で異なった伝播
定数σ0 とσ2 を持ち、その結果π／（σ0 −σ2 ）に
等しい距離Ｌの後、これら２つのモードは互いに関連し
て同相で１８０°だけずれ、強度分布は必要とされるな
ら図２と図３に示されているような状態になる。
【０００８】積層部１５の導波特性は一般に単一結合モ
ード理論を用いて分析される。この目的のために図４を
参照して説明すると、ストライプ１７，１３及び１９を
組み込んだ導波路部は以後それぞれ導波路部１，２及び
３と呼ぶ。先ず最初に、３つの導波路部を個々に考えて
それぞれ伝播定数β1 ，β2 及びβ3 を持つモードを保
持すると仮定する。簡単化のために、積層部１５が中央
導波路部２を中心にして対称であると仮定すると、β1
＝β3 、すなわち導波路部１と３は同一である。導波路
部１，２及び３が近接して配置されていると、それらは
結合される。簡単化のために、最接近の結合のみを考え
ると、対称のため導波路部１と２間の結合ｋは導波路部
２と３間の結合と同じである。
ード理論を用いて分析される。この目的のために図４を
参照して説明すると、ストライプ１７，１３及び１９を
組み込んだ導波路部は以後それぞれ導波路部１，２及び
３と呼ぶ。先ず最初に、３つの導波路部を個々に考えて
それぞれ伝播定数β1 ，β2 及びβ3 を持つモードを保
持すると仮定する。簡単化のために、積層部１５が中央
導波路部２を中心にして対称であると仮定すると、β1
＝β3 、すなわち導波路部１と３は同一である。導波路
部１，２及び３が近接して配置されていると、それらは
結合される。簡単化のために、最接近の結合のみを考え
ると、対称のため導波路部１と２間の結合ｋは導波路部
２と３間の結合と同じである。
【０００９】結合モード理論によると、積層部１５内の
モード０，１及び２は伝播定数σ0，σ1 及びσ2 を持
つ。これらは行列
モード０，１及び２は伝播定数σ0，σ1 及びσ2 を持
つ。これらは行列
【数１】 の固有値として求められる。これから
【数２】
【数３】
【数４】 を得る。電界分布は対応する固有ベクトルにより（正規
化定数の範囲内で）求められる。固有ベクトルｊ内の成
分ｉは導波路ｉ内のモードｊの振幅に対応する。
化定数の範囲内で）求められる。固有ベクトルｊ内の成
分ｉは導波路ｉ内のモードｊの振幅に対応する。
【数５】
【数６】
【数７】
【００１０】効果的な結合を得るために、われわれは入
力端で電界が導波路部２で集中し、出力端で３つの導波
路部１，２及び３の全部にわたって均等に分布する構造
を必要とする。これは結果として
力端で電界が導波路部２で集中し、出力端で３つの導波
路部１，２及び３の全部にわたって均等に分布する構造
を必要とする。これは結果として
【数８】 の場合に達成される。入力電界は
【数９】 により求められる。次の式で求められる距離Ｌを伝播し
た後、
た後、
【数１０】 モード０と２間の位相差は１８０°だけ変化して出力電
界は
界は
【数１１】 で所望の一様な分布を得る。伝播距離Ｌは
【数１２】 で表される。
【００１１】図４を参照して説明すると、積層部１５の
構造は次のようにして決められる。導波路部２のストラ
イプ１３の厚さａ2 と屈折率ｎ1 、更に基板１１と層２
１，２３及び２５の材料の屈折率ｎ0 の値が既知である
とすると、伝播定数β2 が求められる。所要長さＬが与
えられると、伝播定数β1 の値が上述の式（１２）から
求められる。これから、ストライプ１７と１９の厚さａ
1 とａ3 及び屈折率ｎ2 が求められる。次いで、層２１
と２３の厚さが結合係数ｋが式（８）を満足するように
選ばれる。
構造は次のようにして決められる。導波路部２のストラ
イプ１３の厚さａ2 と屈折率ｎ1 、更に基板１１と層２
１，２３及び２５の材料の屈折率ｎ0 の値が既知である
とすると、伝播定数β2 が求められる。所要長さＬが与
えられると、伝播定数β1 の値が上述の式（１２）から
求められる。これから、ストライプ１７と１９の厚さａ
1 とａ3 及び屈折率ｎ2 が求められる。次いで、層２１
と２３の厚さが結合係数ｋが式（８）を満足するように
選ばれる。
【００１２】積層部１５内の導波路部の数が３から５，
７等に増加すれば、得られる結合もますますよくなるは
ずであるが、そのような構造は設計や製造をますます複
雑にするだけで、結合度の改良はそのようにするだけの
価値がない。図示例を介して説明すると、次に５つの導
波路部を対称形に配置して積層部を構成した場合が考え
られる。この表記は図５に示されている。一般に励起さ
れる３つの偶数モード０，２，４の伝播定数は３次多項
式の根を見つけることで求められる。仮にβ3 ＝β1 で
あるとするとこれら根の１つが容易に見つかる。そし
て、更に
７等に増加すれば、得られる結合もますますよくなるは
ずであるが、そのような構造は設計や製造をますます複
雑にするだけで、結合度の改良はそのようにするだけの
価値がない。図示例を介して説明すると、次に５つの導
波路部を対称形に配置して積層部を構成した場合が考え
られる。この表記は図５に示されている。一般に励起さ
れる３つの偶数モード０，２，４の伝播定数は３次多項
式の根を見つけることで求められる。仮にβ3 ＝β1 で
あるとするとこれら根の１つが容易に見つかる。そし
て、更に
【数１３】 と、
【数１４】 であると仮定すると、次の伝播定数σ0 ，σ2 ，σ4 と
偶数モードの電界分布Ｅ0 ，Ｅ2 ，Ｅ4 が、
偶数モードの電界分布Ｅ0 ，Ｅ2 ，Ｅ4 が、
【数１５】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【数２０】 で求められる。入力電界Ｅinは
【数２１】 で中央に集中する。モード２と４の位相が１８０°だけ
変化することから、われわれは
変化することから、われわれは
【数２２】 を得る。所要の位相変化を得るために長さＬは
【数２３】 を満足しなければならない。ここで、ＮとＭは両方とも
奇数である。Ｍ＝７で、長さＬが
奇数である。Ｍ＝７で、長さＬが
【数２４】 により与えられるとすると、式（２３）の第２条件が満
足し、第１は可なり満足できるような値（１ではなくＮ
＝０．９７）を得る。伝播定数の式には無理数が含まれ
ているから両条件を正確に満足させることは不可能であ
る。もっと一般的な場合（すなわちβ3 ＝β1 ）にはこ
れらの条件を満足させることが可能であるが、伝播定数
と電界分布の式がかなり複雑になる。
足し、第１は可なり満足できるような値（１ではなくＮ
＝０．９７）を得る。伝播定数の式には無理数が含まれ
ているから両条件を正確に満足させることは不可能であ
る。もっと一般的な場合（すなわちβ3 ＝β1 ）にはこ
れらの条件を満足させることが可能であるが、伝播定数
と電界分布の式がかなり複雑になる。
【００１３】例を介して説明したデバイスは導波路部を
対称形にした積層部を採用したが、本発明に係るデバイ
スにおいて必ずしもそうする必要がない。したがって、
設計では光を積層部に入れる導波路を積層部の一方に偏
らせて設けることが想定される。このような配列におい
ては積層部を被覆構造で基板導波路に設けることが可能
となる。これは積層部の製造を容易にするが設計が更に
複雑になる。本発明にかかるデバイスは光を基板導波路
から基板外の他の導波路に結合する特別な例を示してき
たが、他の応用例も想定できる。したがって、デバイス
は導波路ベンドを使用せずにスプリットパワーがデバイ
スの出力端で同相であるという特徴を持つパワースプリ
ッタデバイスとしての応用が可能である。
対称形にした積層部を採用したが、本発明に係るデバイ
スにおいて必ずしもそうする必要がない。したがって、
設計では光を積層部に入れる導波路を積層部の一方に偏
らせて設けることが想定される。このような配列におい
ては積層部を被覆構造で基板導波路に設けることが可能
となる。これは積層部の製造を容易にするが設計が更に
複雑になる。本発明にかかるデバイスは光を基板導波路
から基板外の他の導波路に結合する特別な例を示してき
たが、他の応用例も想定できる。したがって、デバイス
は導波路ベンドを使用せずにスプリットパワーがデバイ
スの出力端で同相であるという特徴を持つパワースプリ
ッタデバイスとしての応用が可能である。
【図１】デバイスの概略断面図である。
【図２】デバイス動作で起こる電界パターンの図であ
る。
る。
【図３】同じく、デバイス動作で起こる電場パターンの
図である。
図である。
【図４】図１のデバイス設計で用いられる原理の理解を
容易にする図である。
容易にする図である。
【図５】同じく採用原理の理解を容易にする図である。
１１ 基板 １３ ストライプ １５ 積層部 １７ ストライプ １９ ストライプ ２１ 層 ２３ 層 ２５ 層 ２７ 光ファイバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェンス ブース 英国 エヌエヌ７ ３イー２，ノーザムプ トンシア，ゲイトン，ベイカー ストリー ト，ザ バーチイズ （番地なし)
Claims (8)
- 【請求項１】 基板に設けた光導波路から成る光デバ
イスであって、該導波路長の一部は同一長さを有する結
合光導波路部の積層部の１つを形成し、該積層部は前記
導波路を伝播して該積層部の一端に入る所定周波数の光
波が前記積層部の他端で隣接各導波路で実質的に同位相
である光波を放つような長さであることを特徴とする光
デバイス。 - 【請求項２】 前記積層部他端の波も隣接各導波路部
で実質的に同一振幅であることを特徴とする請求項１記
載の光デバイス。 - 【請求項３】 前記積層部は奇数の導波路部から成
り、前記導波路の前記一部は前記積層部の中央部を構成
することを特徴とする請求項１又は２記載の光デバイ
ス。 - 【請求項４】 前記積層部は前記中央導波路部を中心
にして対称であることを特徴とする請求項３記載の光デ
バイス。 - 【請求項５】 前記奇数は３であることを特徴とする
請求項４記載の光デバイス。 - 【請求項６】 前記導波路部は前記基板の面に実質的
に垂直な方向で積層されていることを特徴とする前項い
ずれか１記載の光デバイス。 - 【請求項７】 前記積層部の他端は前記基板の端面で
あって、基板外の光導波路の一端が前記積層部の他端と
突き合わせ状態で配置され、前記積層部の他端から出る
光が基板外導波路に結合されるようになっていることを
特徴とする請求項６記載の光デバイス。 - 【請求項８】 前記基板外導波路は光ファイバである
ことを特徴とする請求項７記載の光デバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB939301052A GB9301052D0 (en) | 1993-01-20 | 1993-01-20 | Optical devices |
| GB9301052.8 | 1993-01-20 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06235843A true JPH06235843A (ja) | 1994-08-23 |
Family
ID=10728991
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5351542A Pending JPH06235843A (ja) | 1993-01-20 | 1993-12-29 | 光デバイス |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
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