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DE3146795A1 - "superlumineszente, lichtemittierende diode (sld) mit wirksamer ankopplung an optische wellenleiter" - Google Patents

"superlumineszente, lichtemittierende diode (sld) mit wirksamer ankopplung an optische wellenleiter"

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Publication number
DE3146795A1
DE3146795A1 DE19813146795 DE3146795A DE3146795A1 DE 3146795 A1 DE3146795 A1 DE 3146795A1 DE 19813146795 DE19813146795 DE 19813146795 DE 3146795 A DE3146795 A DE 3146795A DE 3146795 A1 DE3146795 A1 DE 3146795A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sld
light
numerical aperture
dipl
waveguide
Prior art date
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Ceased
Application number
DE19813146795
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English (en)
Inventor
Ivan Paul 07724 Tinton N.J. Kaminow
Dietrich 07738 Lincroft N.J. Marcuse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
Western Electric Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Western Electric Co Inc filed Critical Western Electric Co Inc
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Ceased legal-status Critical Current

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Description

Beschreibung
Superlumineszente, lichtemittierende Diode (SLD) mit wirksamer Ankopplung an optische Wellenleiter
Die Erfindung bezieht sich auf Übertragungssysteme mit optischen Wellenleitern, insbesondere auf ssuperlumineszente lichtemittierende Dioden (SLD's), die Licht an einen optischen Wellenleiter oder eine optische Faser mit maximalem Wirkungsgrad abgeben können.
Obgleich Halbleiterlaser großen Erfolg als optische Quellen bei Faserwellenleitersystemen erreicht haben, gibt es noch viele Probleme, die bezüglich dieser Bauelemente zu lösen sind. So haben insbesondere viele dieser Laser keine Lebensdauer, die die der anderen Komponenten in Faserwellenleitersystemen erreichen, und ihre Herstellungsausbeute ist noch nicht so hoch, wie dieses wünschenswert wäre. Nach einigen Theorien über das Fehlen einer adäquaten Laser-Lebensdauer wird angenommen, daß die Gegenwart optischer Spitzen innerhalb
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des Laserresonators tatsächlich zu der raschen Verschlechterung des Bauelementes beitragen können. Andererseits erzeugen lichtemittierende Dioden (LED's) inkohärente Strahlung und haben daher keine stehenden Wellen optischer Energie innerhalb ihrer aktiven Zone. Sie können deshalb aus diesem Grund eine viel größere Lebensdauer als ihre Laser-Verwandten haben. Die derzeit hergestellten LED's gestatten jedoch nicht ein Einkoppeln von optischer Leistung in eine Faser in für Systemanwendungen ausreichenden Beträgen. Man hat deshalb die Verwendung von superlumineszenten lichtemittierenden Dioden vorgeschlagen. SLDs sind gegenüber gewöhnlichen lichtemittierenden Dioden (LEDs) dahingehend überlegen, daß sie größere Modulationsbandbreite und kleinere Spektralbreite haben. Bei diesem Typ einer lichtemittierenden Diode wird die aktive Zone auf ein Niveau angeregt derart, daß eine Verstärkung bei den innerhalb der aktiven Zone erzeugten Lichtstrahlenbündel auftritt, wobei aber das Bauelement bewußt ohne optischen Resonator aufgebaut ist, um Laserschwingungen zu verhindern.
Ein Typ der SLD ist in dem Artikel "A Stripe-Geometry Double-Heterostructure Amplified-Spontaneous-Emission (Superluminescent) Diode" von T. P. Lee et al., IEEE
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Journal of Quantum Electronics, Band QE-9/ Nr. 8, August 1973, Seiten 820 bis 828, beschrieben. Bei dieser SLD ist ein Stromeingrenzungsgebiet mit streifenförmiger Geometrie durch den Kontakt auf einem Doppelheterostrukturbauelement vorgesehen, wobei der Kontakt absichtlich kürzer als die Gesamtlänge des Halbleiterchip gemacht ist, um sicherzustellen, daß die Strahlung in der unangeregten Zone nicht vom Kontakt bedeckt ist. Auf diese Weise wird Laser-Betrieb vermieden. Dort wird auch vorgeschlagen, die "geometrische" numerische Apertur der aktiven Zone im wesentlichen gleich der numerischen Apertur der Faser, in die das Licht einzukoppeln ist, zu machen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß maximaler Wirkungsgrad beim Ankoppeln einer SLD an eine optische Faser oder einen anderen Wellenleiter erreicht werden kann durch seitliche Eingrenzung der optischen Energie innerhalb der aktiven Zone der lichtemittierenden Diode, um einen Wellenleiter innerhalb der aktiven Zone zu bilden, dessen effektive seitliche numerische Apertur NA (anstelle der "geometrischen" numerischen Apertur) im wesentlichen gleich der numeri-
■■;.;.::. -; ; : ■; 3H6795
sehen Apertur NA- des von der SLD anzuregenden optischen Wellenleiters gemacht wird. Zusätzlich wird die SLD so aufgebaut, daß sie eine angeregte Wellenleiterzone einer Länge L, einer Breite D und eines effektiven Brechungsindex η besitzt derart, daß die "geometrische" numerische Apertur nD/2L viel kleiner als die numerische Apertur des SLD-Wellenleiters ist. D. h., es gelten
NA = NA,.
g f
und nD/2L < NA .
Als Folge hiervon wird die Ladungsträger-Besetzungsinversion innerhalb der aktiven Zone am wirksamsten zur Verstärkung von Lichtstrahlen benutzt, die sämtlich vom Kern der Faser oder eines äußeren Wellenleiters eingefangen werden.
Bei einer nachstehend noch im einzelnen beschriebenen Ausführungsform wird der Wellenleiter innerhalb der SLD erreicht durch Belasten der aktiven Schicht mit einer Rippe. Der effektive Brechungsindex der aktiven Schicht unterhalb des Rippengebiets ist größer als der effektive Brechungsindex in der aktiven Schicht außerhalb des rippenbelasteten Gebiets, wodurch ein seitlicher Wellenleiter innerhalb der aktiven Schicht erzeugt wird. Bei
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dieser rippenbelasteten Ausführungsform wird eine quarternäre aktive Schicht unter Verwendung der Elemente Indium, Gallium, Arsen und Phosphor epitaktisch auf einem Indiumphosphrdsubstrat aufwachsen gelassen, wobei dann eine Rippe aus Indiumphosphid auf die quarternäre Schicht aufgebracht wird. Bei anderen Ausführungsformen kann die quarternäre aktive Schicht vom Indiumphosphidsubstrat durch eine zweite quarternäre Schicht unterschiedlicher Zusammensetzung isoliert sein; und alle Ausführungsformen können durch Zwischenschalten einer dritten quarternären Schicht zwischen die aktive Schicht und die Indiumphosphid-Rippe fein-abgestimmt werden, um die optimale numerische Apertur zu erreichen.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine Schrägansicht einer entsprechend der vorliegenden Lehre aufgebauten SLD im Hinblick auf eine Anpassung an einen üblichen optischen Multimoden-Faserwellenleiter,
Fig. 2 eine Seitenansicht einer SLD und einer angeschlossenen Multimodenfaser und
; \ ■ : 3U6795
Pig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Abhängigkeit des Wirkungsgrades (ausgedrückt durch die in die Faser eingekoppelte optische Energie bezogen auf die der Diode zugeführte elektrische Energie) von der seitlichen numerischen Apertur des Wellenleiters innerhalb der aktiven Zonenschicht der Diode.
Die superlumineszente lichtemittierende Diode (SLD) nimmt eine Zwischenstellung zwischen einer lichtemittierenden Diode ohne Verstärkung und einem Injektionslaser ein. Sie strahlt inkohärentes Licht ab, hat aber hohe Helligkeit, ein verschmälertes Spektral- und Strahlungsmuster und eine große Modulationsbandbreite. Die Erfindung beruht auf einer Untersuchung wie maximaler Wirkungsgrad beim Ankoppeln einer SLD an einen optischen Faserwellenleiter erreicht werden kann. Zum Erreichen eines maximalen Wirkungsgrades, ausgedrückt durch die in den Wellenleiter eingekoppelte optische Energie bezogen auf die in die SLD eingekoppelte elektrische Energie, wird eine seitliche Eingrenzung der optischen Energie innerhalb der SLD bewerkstelligt durch einen SLD-Aufbau mit einem Wellenleiter in der übergangsebene der aktiven Zonenschicht. Die durchgeführte Untersuchung simulierte
das Betriebsverhalten einer Streifengeometrie-SLD anhand eines Computermodells. Dieses Programm verfolgte Lichtstrahlen von Quellen, die gleichmäßig über den Streifenwellenleiter verteilt waren und Energiebeiträge ergaben, die sich an diskreten Stellen innerhalb der Struktur akkumulierten, die Photonendichte und die Ausgangsleistung an beiden Enden des Streifens zu berechnen. Die Verknüpfung zwischen Photonendichte, die die Verstärkung sättigt, und der die Photonendichte bestimmenden Verstärkung macht das Problem nichtlinear. Stationäre Lösungen wurden durch aufeinanderfolgende Iterationen erhalten.
Die Ergebnisse dieser Untersuchung lassen sich am besten anhand des Diagramms nach Fig. 3 erläutern. Beide dort dargestellten Kurven setzen eine Streifenwellenleiterstruktur in der SLD voraus, die den Reflexionskoeffizienten Null an jedem Ende der aktiven Zone hat. Für beide Fälle gilt auch eine numerische Apertur von 0,2 für den optischen Faserwellenleiter. Wie allgemein bekannt, ist dieses die typische numerische Apertur von optischen Multimodenfasern, wie diese derzeit nach DampfniederSchlagsmethoden hergestellt werden. Für beide Kurven sind auf der Ordinate des Diagrammes der Wirkungs-
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grad, ausgedrückt durch die dem optischen Faserwellenleiter zugeführte optische Energie, geteilt durch die der SLD zugeführte elektrische Energie, und auf der Abszisse die effektive seitliche numerische Apertur des Wellenleiters innerhalb der aktiven Zone des Bauelementes aufgetragen. Für beide Kurven hat die Wellenleiterzone eine Breite D und eine Länge L sowie einen effektiven Brechungsindex η und wird mit einer Stromdichte von
2
5000 Ampere/cm angeregt. Wie in Fig. 3 angegeben, hat das durch Kurve 301 repräsentierte Bauelement eine sehr große Wirkungsgrad-Spitze an einer Stelle, wo die numerische Apertur des Wellenleiters in der SLD der numerischen Apertur der optischen Faser gleicht. Dieses steht im Gegensatz zu dem durch Kurve 302 repräsentierten Bauelement, wo der Wirkungsgrad bei dieser numerischen Apertur von 0,2 einfach etwas größer ist als der Wirkungsgrad bei größeren numerischen Aperturen.
Der Unterschied zwischen den beiden durch die Kurven und 302 repräsentierten Bauelementen kann anhand des Parameters der "geometrischen" numerischen Apertur nD/2L bestimmt werden. Hierin bedeuten η den effektiven Brechungsindex des Wellenleiters, D und L die Breite bzw. Länge des Wellenleiters. Für die Kurve 302 ist dieser
Parameter nD/2L gleich. 0,28 oder annähernd gleich der numerischen Apertur der optischen Faser. Bei der Kurve 301 , wo das Bauelement eine kritische Spitze im Wirkungsgrad erreicht hat, ist dieser Parameter nD/2L gleich 0,035, d. h., er ist viel kleiner als die numerische Apertur des optischen Wellenleiters. Im Effekt repräsentiert die Kurve 301 einen dünnen, stark verlängerten Streifenwellenleiter in der aktiven Zone, wo der Parameter nD/2L viel kleiner als die numerische Apertur des optischen Wellenleiters ist. In diesem Fall ist es den optischen Strahlen innerhalb des Wellenleiters ermöglicht, die Elektronenbesetzungsinversion aufzubrauchen, um hauptsächlich Strahlen zu erzeugen, die durch den Kern der optischen Faser insbesondere dann definitiv eingefangen werden, wenn bei diesem Wellenleiter dafür gesorgt wird, eine numerische Apertur zu haben, die im wesentlichen gleich der numerischen Apertur des optischen Wellenleiters ist. Der Wirkungsgrad entsprechend Kurve 301 fällt von der Spitze für numerische Aperturen ab, die kleiner als das Optimum sind, da dieser Fall eine geringere Führung der optischen Strahlen darstellt und viele dieser Strahlen in die unangeregte Schicht außerhalb der angeregten Zone abwandern und verlorengehen. Der Wirkungsgrad fällt für
numerische Aperturen ab, die größer als die numerische Apertur des optischen Wellenleiters sind, weil für diese Fälle die Strahlen noch enger begrenzt sind derart, daß viel von der Elektronenbesetzungsinversion beim Erzeugen von Strahlen aufgebraucht wird, die im Kern der optischen Faser nie eingefangen werden können.
Zusammengefaßt hat die der Erfindung zugrundeliegende Untersuchung folgende Kriterien für den Erhalt eines maximalen Kopplungswirkungsgrades zwischen einer SLD und einem optischen Wellenleiter ergeben.
1) Die numerische Apertur, die durch seitliche Eingrenzung in der aktiven Zone einer kantenemittierenden Streifen-SLD erreicht wird, sollte annähernd gleich der numerischen Apertur des optischen Wellenleiters gemacht werden und
2) die aktive Zone sollte mit einem effektiven Brechungsindex η, einer Breite D und einer Länge L so aufgebaut werden, daß die Größe nD/2L viel kleiner als die numerische Apertur des optischen Wellenleiters ist.
In allen Fällen ist es jedoch notwendig, eine Gesamtverstärkung in der SLD vorzusehen und die Breite der akti-
ven Zone in der SLD kleiner als die Breite des Kernes des optischen Wellenleiters zu machen.
Eine praktische Ausführungsform einer SLD in Verbindung mit einer üblichen optischen Multimodenfaser einer numerischen Apertur von 0,2 ist in Fig. 1 als SLD 150 dargestellt. Hierbei ist eine 2 Mikrometer dicke Indiumphosphidschicht 101 auf ein Indiumphosphid-Substrat epitaktisch aufgewachsen, gefolgt von einer ebenfalls epitaktisch auf der Schicht 101 aufgewachsenen 0,6 Mikrometer dicken aktiven InGaAsP-Schicht 102. Die Elemente der Schicht 102 sind so gewählt, daß ein Energiebandabstand entsprechend einer Wellenlänge von 1,3 Mikrometer erreicht wird. Die Schicht 101 ist η-leitend dotiert aufgewachsen. Eine 1 Mikrometer dicke p-leitende Indiumphosphidschicht 103 ist auf der Schicht 102 epitaktisch niedergeschlagen. Schließlich ist eine stark p-leitende Deckschicht 104 auf der Schicht 103 epitaktisch niedergeschlagen, um guten elektrischen Kontakt mit den darunterliegenden Schicht zu erreichen. Sodann wird nach üblichen Ätzmethoden eine Rippenstruktur einer Länge L von 500 Mikrometer am einen Ende des Bauelementes erzeugt, wodurch etwa 500 Mikrometer an ursprünglich ungeschnittenen Schichten 103 und 104 am hinteren Ende
des Bauelementes übrig bleiben, um als Absorber dienen zu können. Die ganze Oberseite des Bauelementes, außer der Oberseite der Rippe, wird dann mit einer Siliciumnitridschicht 106 überzogen. Die Oberseite der Rippe wird mit einem legierten Gold/Zink-Kontakt 105 bedeckt. Die ganze Unterseite des Bauelementes, d. h., des Substrates 100, wird mit einem Gold/Zinn-Kontakt 107 beschichtet.
Eine seitliche Eingrenzung in der aktiven Zone der Schicht 102 wird als Folge des Umstandes erzeugt, daß die Rippe über der aktiven Zone zur Folge hat, daß dieser Teil der aktiven Schicht 102 einen höheren effektiven Brechungsindex als jene Teile der aktiven Schicht 102 annehmen wird, die von der Rippe nicht bedeckt sind. Die numerische Apertur dieses Wellenleiters NA ist gleich
f 2 2^
V(N1 - N_) , wobei N der effektive Brechungsindex der aktiven Zone in der Schicht 102 unterhalb der Rippe ist und N„ der effektive Brechungsindex in den von der Rippe nichtbedeckten Zonen der Schicht 102 ist. Diese effektiven Brechungsindices N1 und N» können nach Methoden errechnet werden, wie diese angegeben sind von H. Kogelnik et al. in dem Artikel "Scaling Rules for Thin-Film Optical Waveguides", Applied Optics, Vol. 13, (1974), Seiten 1857 bis 1862.
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Für die Anordnung nach Fig. 1 bei einer 0,6 Mikrometer dicken aktiven Zone errechnet sich die numerische Apertur zu 0,26 für den TE-Mode und zu 0,44 für den TM-Mode. Eine weitere Anordnung, die, wie gefunden wurde, dicht bei der numerischen Apertur einer Multimoden-Faser liegende numerische Aperturen liefert, ist eine solche, bei der die Schicht 101 als eine quarternäre Schicht mit einem einer Wellenlänge von 1,1 Mikrometer äquivalenten Energiebandabstand epitaktisch aufgewachsen ist. In diesem letzteren Fall ist die numerische Apertur für den TE-Mode gleich 0,26 und für den TM-Mode gleich 0,36. In beiden Fällen können die numerischen Aperturen etwas verringert werden, um eine noch engere Anpassung an den optischen Wellenleiter zu erreichen. Dieses geschieht durch epitaktisches Aufwachsen einer quarternären Schicht eines Brechungsindex kleiner als der der Schicht 102 zwischen den Schichten 102 und 103, um dadurch im Effekt eine Feinabstimmung der effektiven Brechungsindices in allen Zonen zu bewirken.
Das so aufgebaute Bauelement mit seitlicher Eingrenzung derart, daß eine numerische Apertur annähernd gleich der des optischen Faserwellenleiters erzeugt wird, kann dann, wie in Fig. 2 dargestellt ist, montiert werden,
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um seine Ausgangsstrahlung direkt in den Kern einer optischen Faser einzuführen. Vor der Montage wird die SLD vorteilhaft mit einem Antireflexbelag 201 beschichtet, der die gesamte lichtemittierende Kante (Stirnfläche) der SLD 150 bedeckt. Wenn das Reflexionsvermögen an der Ausgangsfläche ausreichend klein ist, kann ein zusätzlicher Vorteil in der Ausgangs leistung gewonnen werden durch Ersatz des Absorbers am anderen Ende der SLD durch einen Spiegel mit endlichem Reflexionsvermögen. Weiterhin kann ersichtlich der Kopplungswirkungsgrad noch stärker verbessert werden, wenn eine parallel zur Übergangsebene orientierte Zylinderlinse zwischen die SLD und die optische Faser eingeschoben wird, um die von der aktiven Zone der SLD emittierten optischen Strahlen wirksamer einzufangen. Diese Anpassung verbessert den Wirkungsgrad, da die "transversale" numerische Apertur, d. h., jene senkrecht zur übergangsebene, dieser aktiven Zone üblicherweise sehr groß ist im Vergleich zur numerischen Apertur der optischen Faser.
Weiterhin kann auch die numerische Apertur der SLD an die numerische Apertur eines optischen Systems angepaßt werden, in das die SLD Licht einkoppelt. Demgemäß kann auch eine übliche sphärische Linse zwischen der
• . -:.; -. 3Ί46795
SLD und dem optischen Faserwellenleiter vorgesehen werden, um sowohl die Breite als auch die numerische Apertur des optischen Wellenleiters in eine effektive numerische Apertur und Breite, wie diese von der SLD gesehen verden, zu transformieren. Diese Transformation wird der üblichen durch die Linse vorgegebenen optischen Verknüpfung folgen, wodurch das Produkt von Breite und numerischer Apertur bei der Transformation konstant bleibt.
Weitere Methoden sind dem einschlägigen Fachmann bekannt, nach denen die erforderliche seitliche Eingrenzung in dem SLD-Wellenleiter realisiert werden kann.
■Λ.
Leerseite

Claims (5)

  1. .■■ ■ ; 3UR735
    BLUMBACH · WEBER· BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HOFFMANN
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN I
    Patentcqnsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsult Patentconsult Sonnenbergor Straße 43 6200 Wiosboden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186737 Tolucjriimmo Palcntciinsull
    Western Electric Company, Incorporated
    New York, N. Y., USA Kaminow 34
    Patentansprüche
    /T/ Kantenemittierende, superlumineszente, lichtemittierende Diode (SLD), die eine aktive Schicht mit einer angeregten Zone einer Länge L aufweist und für eine Ankopplung an ein optisches Wellenleiterausgangs- *.
    system eines Kerndurchmessers größer als die Breite |
    der lichtemittierenden Zone der Diode sowie einer numerischen Apertur NA f anpaßbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Brechungsindices in der aktiven Schicht benachbart zu der angeregten Zone in der SLD gewählt sind für den Erhalt einer seitlichen Licht-Eingrenzung in der aktiven Schicht der Diode auf eine Wellenleiterzone einer Breite D und einer seitlichen numerischen Apertur NA , wobei letztere im wesentlichen gleich der numerischen Apertur NA des optischen Wellen-
    MUndien: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . E. Hoffmann Dipl.-Ing. v
    Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur. Dlpl.-lng., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing. *
    3U6795
    und
    leiterausgangssystems ist/ der Parameter nD/2L viel kleiner als die numerische Apertur NA ist, mit η gleich dem effektiven Brechungsindex in der lichtemittierenden Zone der SLD.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die SLD weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die seitliche Licht-Eingrenzung erreicht wird durch eine Rippenstruktur, die nur über der lichtemittierenden Zone der SLD vorhanden ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2 , '. dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht der SLD chemisch aus Elementen der Gruppe Indium, Gallium, Arsen und Phosphor zusammengesetzt ist.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet , daß die Rippenstruktur, eine auf der aktiven Schicht epitaktisch gewachsene Indiumphosphidschicht aufweist.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet ,- daß
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    die SLD einen Antireflexbelag auf ihrer lichternittierenden Kante besitzt.
DE19813146795 1980-11-28 1981-11-26 "superlumineszente, lichtemittierende diode (sld) mit wirksamer ankopplung an optische wellenleiter" Ceased DE3146795A1 (de)

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