JP2675133B2 - 導波路型光スターカプラ - Google Patents
導波路型光スターカプラInfo
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- JP2675133B2 JP2675133B2 JP1099238A JP9923889A JP2675133B2 JP 2675133 B2 JP2675133 B2 JP 2675133B2 JP 1099238 A JP1099238 A JP 1099238A JP 9923889 A JP9923889 A JP 9923889A JP 2675133 B2 JP2675133 B2 JP 2675133B2
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
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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
- G02B6/28—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
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光信号を分配する機能と増幅する機能を合
わせもった導波路型光スターカプラに関するものであ
る。
わせもった導波路型光スターカプラに関するものであ
る。
[従来の技術] 一つの伝送路内を伝搬してきた光信号をN(N≧2)
個の伝送路内に等分配したり、逆にN個の伝送路内を伝
搬してきた夫々の光信号を一つの伝送路内に合流させる
機能をもつ光スターカプラは、光ファイバ通信、光信号
処理、光計測、光センサなどの分野でなくてはならない
重要な光部品の一つである。そして最近、導波路型光ス
ターカプラが量産性、高信頼性、経済性の点で有望であ
るとのことから脚光をあびつつある。
個の伝送路内に等分配したり、逆にN個の伝送路内を伝
搬してきた夫々の光信号を一つの伝送路内に合流させる
機能をもつ光スターカプラは、光ファイバ通信、光信号
処理、光計測、光センサなどの分野でなくてはならない
重要な光部品の一つである。そして最近、導波路型光ス
ターカプラが量産性、高信頼性、経済性の点で有望であ
るとのことから脚光をあびつつある。
従来、導波路型単一モード光スターカプラとして、第
4図のように、Y分岐導波路5−1〜5−7を多段に接
続した構成と、第5図のように、方向性結合器14−1〜
14−7を多段に接続した構成が知られている(西原、春
名、栖原;光集積回路、オーム社発行、昭和60年2月25
日初版)。尚、図中1は例えばSiあるいはSiO2等の材料
よりなる基板、2は例えばSiO2あるいは屈折率制御用添
加物を含んだSiO2等よりなるバッファ層、3は例えばT
i、Ge、P、B、Al、Na、Kなどの屈折率制御用添加物
を少なくとも一種含んだSiO2系ガラスなどの高屈折率材
料よりなるコア導波路、4はコア導波路3を覆うSiO2あ
るいは屈折率制御用添加物を含んだSiO2などの低屈折率
材料よりなるクラッドであり、入力ポート8へ入射した
入力光信号6(光強度Pi)を8つの出力ポート9−1〜
9−8(光強度P01〜P08)へ8分配する例を示してい
る。
4図のように、Y分岐導波路5−1〜5−7を多段に接
続した構成と、第5図のように、方向性結合器14−1〜
14−7を多段に接続した構成が知られている(西原、春
名、栖原;光集積回路、オーム社発行、昭和60年2月25
日初版)。尚、図中1は例えばSiあるいはSiO2等の材料
よりなる基板、2は例えばSiO2あるいは屈折率制御用添
加物を含んだSiO2等よりなるバッファ層、3は例えばT
i、Ge、P、B、Al、Na、Kなどの屈折率制御用添加物
を少なくとも一種含んだSiO2系ガラスなどの高屈折率材
料よりなるコア導波路、4はコア導波路3を覆うSiO2あ
るいは屈折率制御用添加物を含んだSiO2などの低屈折率
材料よりなるクラッドであり、入力ポート8へ入射した
入力光信号6(光強度Pi)を8つの出力ポート9−1〜
9−8(光強度P01〜P08)へ8分配する例を示してい
る。
[発明が解決しようとする課題] 第4図のY分岐型光スターカプラは分岐比の波長依存
性が小さく、広帯域特性をもっているという特徴がある
が、Y分岐部での散乱損失を小さくするためにはその分
岐角度θを3゜以下にしなければならず、全長lは非常
に大きくなり、導波路の吸収損失、散乱損失が増えて低
損失化が難しいという問題点がある。さらに出力ポート
数Nが8以上にもなると非常に細長い構造となり、製造
プロセス(ガラス膜形成、ホトリソグラフィ、ドライエ
ッチング等の工程を経て製造される)の面からも均一な
分配特性を実現させることが難しい。
性が小さく、広帯域特性をもっているという特徴がある
が、Y分岐部での散乱損失を小さくするためにはその分
岐角度θを3゜以下にしなければならず、全長lは非常
に大きくなり、導波路の吸収損失、散乱損失が増えて低
損失化が難しいという問題点がある。さらに出力ポート
数Nが8以上にもなると非常に細長い構造となり、製造
プロセス(ガラス膜形成、ホトリソグラフィ、ドライエ
ッチング等の工程を経て製造される)の面からも均一な
分配特性を実現させることが難しい。
一方、第5図の方向性結合器型光スターカプラは方向
性結合器での損失は小さくできるが、Y分岐型に比べ狭
帯域特性(50〜100Å)であり、また結合部の構造寸法
のわずかな偏差によって分岐比が大きく変わるという問
題点がある。さらにこの構成でも分岐角度θは3゜以下
に抑えなければならず、全長lは第4図のY分岐型より
もさらに大きくなってしまい、多ポートで低損失特性を
実現させることは極めて困難である。またこの場合も作
る上で同様な問題点がある。
性結合器での損失は小さくできるが、Y分岐型に比べ狭
帯域特性(50〜100Å)であり、また結合部の構造寸法
のわずかな偏差によって分岐比が大きく変わるという問
題点がある。さらにこの構成でも分岐角度θは3゜以下
に抑えなければならず、全長lは第4図のY分岐型より
もさらに大きくなってしまい、多ポートで低損失特性を
実現させることは極めて困難である。またこの場合も作
る上で同様な問題点がある。
以上のように、導波路型単一モード光スターカプラと
して、多ポート(N≧8)、低損失、小形サイズ、等分
配及び広帯域特性を実現させるものは未だ実現されてい
ない。
して、多ポート(N≧8)、低損失、小形サイズ、等分
配及び広帯域特性を実現させるものは未だ実現されてい
ない。
なお、第4図及び第5図の構成でlが大きくなる理由
は、出力ポート9−1〜9−8に夫々光ファイバを接続
しなければならないために、各出力ポート間の間隔を最
低250μm程度とる必要性があるからである。すなわ
ち、分岐導波路13−〜13−14の長さを大きくとらなけれ
ばならないために、結果的にlも大きくなってしまうの
である。
は、出力ポート9−1〜9−8に夫々光ファイバを接続
しなければならないために、各出力ポート間の間隔を最
低250μm程度とる必要性があるからである。すなわ
ち、分岐導波路13−〜13−14の長さを大きくとらなけれ
ばならないために、結果的にlも大きくなってしまうの
である。
本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解決し
得る光スターカプラを得ることにあり、光信号を分配す
る機能と増幅する機能を合わせもった導波路型光スター
カプラを提供することにより、多ポート、低損失、等分
配、広帯域特性をもち、かつ小形化を実現させるもので
ある。
得る光スターカプラを得ることにあり、光信号を分配す
る機能と増幅する機能を合わせもった導波路型光スター
カプラを提供することにより、多ポート、低損失、等分
配、広帯域特性をもち、かつ小形化を実現させるもので
ある。
[課題を解決するための手段] 本発明は、コア導波路として活性物質である希土類元
素(例えばEr、Nd、Yb、Ce、Ho、Tmなど)を少なくとも
1種含んだガラス材料を用い、該コア導波路を入力がM
(M≧2の整数)ポートで、出力がN(N≧4の整数)
ポートになるようにY分岐導波路の多段接続構造に形成
した導波路型光スターカプラとなし、該入力ポートの一
つより信号光を、他の入力ポートより該活性物質を励起
するための励起光を入射させるようにしたものである。
素(例えばEr、Nd、Yb、Ce、Ho、Tmなど)を少なくとも
1種含んだガラス材料を用い、該コア導波路を入力がM
(M≧2の整数)ポートで、出力がN(N≧4の整数)
ポートになるようにY分岐導波路の多段接続構造に形成
した導波路型光スターカプラとなし、該入力ポートの一
つより信号光を、他の入力ポートより該活性物質を励起
するための励起光を入射させるようにしたものである。
[作用] 本発明の導波路型光スターカプラは、方向性結合器型
に比べ小形化に有利でかつ広帯域なY分岐型の光導波路
構造を採用するが、そのコア導波路材料には少なくとも
一の希土類元素を含有したガラスを用い、入力ポートの
一つから励起光を入射させることにより光信号を増幅さ
せる機能を付加している。これにより、コア導波路内を
伝搬するにつれて生ずる吸収損失、散乱損失、Y分岐導
波路で分配される際生ずる分岐損失を上記増幅作用によ
り補うことができ、出力ポート数を増加しても低損失特
性をもたせることができる。また、上記増幅作用ゆえ従
来狭かった分岐角度を広く設定することが可能となり、
小形で等分配特性を有する光カプラを得ることができ
る。
に比べ小形化に有利でかつ広帯域なY分岐型の光導波路
構造を採用するが、そのコア導波路材料には少なくとも
一の希土類元素を含有したガラスを用い、入力ポートの
一つから励起光を入射させることにより光信号を増幅さ
せる機能を付加している。これにより、コア導波路内を
伝搬するにつれて生ずる吸収損失、散乱損失、Y分岐導
波路で分配される際生ずる分岐損失を上記増幅作用によ
り補うことができ、出力ポート数を増加しても低損失特
性をもたせることができる。また、上記増幅作用ゆえ従
来狭かった分岐角度を広く設定することが可能となり、
小形で等分配特性を有する光カプラを得ることができ
る。
[実施例] 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本発明の導波路型光スターカプラの一実施例
を示す図であり、同図(a)は正面図、(b)は(a)
の側面図のA−A′断面図を示したものである。なお、
第4図、第5図と同一構成部分には同一符号を付しここ
では説明を省略する。これは第4図同様入力ポート8へ
入射した入力光信号6(Pi)を8つの出力ポート9−1
〜9−8へ8分配(出力光信号7−1〜7−8)する例
を示したものである。光信号の分配はすべてY分岐導波
路5−1〜5−8で実現されている。導波路の構成は、
基板1上に低屈折率(屈折率nb)のバッファ層2を設
け、その上に希土類元素(例えばEr、Nd、Yb、Ce、Ho、
Tmなど)を少なくとも一種含んだSiO2系ガラス(例えば
Ti、Ge、P、B、Al、Na、Kなどの屈折率制御用添加物
を少なくとも一種含んだSiO2系ガラスで、屈折率がnw
(但し、nw>nb)のもののコア導波路3′を構成さ
せ、そのコア導波路3′全体を屈折率nc(nc<nw)
のクラッド4で覆ったものである。Y分岐導波路5−8
の一方の入力ポート8へ入射した入力光信号6に対し
て、もう一つの入力ポート11より、半導体レーザ10の励
起光信号12を合流させ、Y分岐導波路5−1、5−2、
5−3、5−4、5−5、5−6及び5−7内を伝搬さ
せる。例えば、コア導波路3′内にErを添加しておく
と、上記励起光信号によって4I13/2−4I15/2遷移準位に
反転分布が生じ、信号光による誘導放出により信号光の
増幅が行われる。ここで、信号光5の波長として、1.5
μm帯を用いると、励起光信号の光源には波長1.48μm
帯の半導体レーザあるいは波長514.4nmのArイオンレー
ザなどを用いることができる。この構成によれば、Y分
岐導波路5−1〜5−8内を伝搬するにつれて生ずる吸
収損失、散乱損失及び分配されることによって生ずる分
岐損失をコア導波路3′の上記増幅作用によって補うこ
とができる。また分岐導波路13−1〜13−5の分岐角度
ψ1、ψ2、ψ3を従来よりも大きくとることができ、
結果として導波路の長さlを短かくすることができる。
これはコア導波路3′が上記増幅機能を有しているため
に初めて可能になるものであり、本発明の大きな特徴に
なっている。すなわち、従来の構成方法ではY分岐導波
路の分岐角度を2〜3゜程度にするのが精一杯であった
が、本発明の構成では4゜以上に設定することができる
ため、導波路の全長lを短かくすることができる。従っ
て、本発明では出力ポート数を16、32、64あるいはそれ
以上にすることも現実的に可能になってくる。すなわ
ち、コア導波路3′内への希土類元素の添加量を多く
し、励起光信号強度を増大することによって可能とな
る。なお、出力ポート数を多くする程、全長lは大きく
なっていき、従来の光スターカプラでは損失がどんどん
増大していくが、本発明では逆にlが大きくなると、光
信号の増幅度はlに比例して増大していく。従って、本
発明では多ポート化による導波路の吸収損失αa、散乱
損失αs及び分岐損失αdをlの増大による光信号の増
幅度の増大によって補うことができる。すなわち、従来
の光スターカプラの場合には、出力光信号の強度は、 であったのに対し、本発明の場合には、 で表わされる。但し、Gは希土類元素を添加したコア導
波路3′の利得係数であり、希土類元素の添加量、励起
光信号強度、コア導波路の横モードのスポットサイズ、
吸収損失αa、散乱損失αsなどに依存している。
を示す図であり、同図(a)は正面図、(b)は(a)
の側面図のA−A′断面図を示したものである。なお、
第4図、第5図と同一構成部分には同一符号を付しここ
では説明を省略する。これは第4図同様入力ポート8へ
入射した入力光信号6(Pi)を8つの出力ポート9−1
〜9−8へ8分配(出力光信号7−1〜7−8)する例
を示したものである。光信号の分配はすべてY分岐導波
路5−1〜5−8で実現されている。導波路の構成は、
基板1上に低屈折率(屈折率nb)のバッファ層2を設
け、その上に希土類元素(例えばEr、Nd、Yb、Ce、Ho、
Tmなど)を少なくとも一種含んだSiO2系ガラス(例えば
Ti、Ge、P、B、Al、Na、Kなどの屈折率制御用添加物
を少なくとも一種含んだSiO2系ガラスで、屈折率がnw
(但し、nw>nb)のもののコア導波路3′を構成さ
せ、そのコア導波路3′全体を屈折率nc(nc<nw)
のクラッド4で覆ったものである。Y分岐導波路5−8
の一方の入力ポート8へ入射した入力光信号6に対し
て、もう一つの入力ポート11より、半導体レーザ10の励
起光信号12を合流させ、Y分岐導波路5−1、5−2、
5−3、5−4、5−5、5−6及び5−7内を伝搬さ
せる。例えば、コア導波路3′内にErを添加しておく
と、上記励起光信号によって4I13/2−4I15/2遷移準位に
反転分布が生じ、信号光による誘導放出により信号光の
増幅が行われる。ここで、信号光5の波長として、1.5
μm帯を用いると、励起光信号の光源には波長1.48μm
帯の半導体レーザあるいは波長514.4nmのArイオンレー
ザなどを用いることができる。この構成によれば、Y分
岐導波路5−1〜5−8内を伝搬するにつれて生ずる吸
収損失、散乱損失及び分配されることによって生ずる分
岐損失をコア導波路3′の上記増幅作用によって補うこ
とができる。また分岐導波路13−1〜13−5の分岐角度
ψ1、ψ2、ψ3を従来よりも大きくとることができ、
結果として導波路の長さlを短かくすることができる。
これはコア導波路3′が上記増幅機能を有しているため
に初めて可能になるものであり、本発明の大きな特徴に
なっている。すなわち、従来の構成方法ではY分岐導波
路の分岐角度を2〜3゜程度にするのが精一杯であった
が、本発明の構成では4゜以上に設定することができる
ため、導波路の全長lを短かくすることができる。従っ
て、本発明では出力ポート数を16、32、64あるいはそれ
以上にすることも現実的に可能になってくる。すなわ
ち、コア導波路3′内への希土類元素の添加量を多く
し、励起光信号強度を増大することによって可能とな
る。なお、出力ポート数を多くする程、全長lは大きく
なっていき、従来の光スターカプラでは損失がどんどん
増大していくが、本発明では逆にlが大きくなると、光
信号の増幅度はlに比例して増大していく。従って、本
発明では多ポート化による導波路の吸収損失αa、散乱
損失αs及び分岐損失αdをlの増大による光信号の増
幅度の増大によって補うことができる。すなわち、従来
の光スターカプラの場合には、出力光信号の強度は、 であったのに対し、本発明の場合には、 で表わされる。但し、Gは希土類元素を添加したコア導
波路3′の利得係数であり、希土類元素の添加量、励起
光信号強度、コア導波路の横モードのスポットサイズ、
吸収損失αa、散乱損失αsなどに依存している。
第2図は本発明の導波路型光スターカプラの別の実施
例を示したもので、同図(a)は正面図、(b)は
(a)の側面図のA−A′断面図を示したものである。
これは、励起光信号を2つ設けることによって、導波路
の利得係数Gを大きくするようにした実施例である。す
なわち、分岐導波路13−1、13−2にY分岐導波路5−
8、5−9を接続し、分岐導波路13−17、13−18より励
起用の半導体レーザ10−1、10−2の励起光信号11−
1、11−2を入力させるようにしたものである。
例を示したもので、同図(a)は正面図、(b)は
(a)の側面図のA−A′断面図を示したものである。
これは、励起光信号を2つ設けることによって、導波路
の利得係数Gを大きくするようにした実施例である。す
なわち、分岐導波路13−1、13−2にY分岐導波路5−
8、5−9を接続し、分岐導波路13−17、13−18より励
起用の半導体レーザ10−1、10−2の励起光信号11−
1、11−2を入力させるようにしたものである。
第3図も本発明の導波路型光スターカプラの別の実施
例を示したものであり、ここでは導波路構成として、第
1図のような埋込み型の代りにリッジ型を用いたもので
ある。すなわち、同図(a)に示すようにクラッド4′
として薄いガラス膜を形成することにより、15−1、15
−2などのコーナー部分での散乱損失の低減を図るよう
にしたものである。
例を示したものであり、ここでは導波路構成として、第
1図のような埋込み型の代りにリッジ型を用いたもので
ある。すなわち、同図(a)に示すようにクラッド4′
として薄いガラス膜を形成することにより、15−1、15
−2などのコーナー部分での散乱損失の低減を図るよう
にしたものである。
本発明は上記実施例に限定されない。まず、導波路は
単一モード、多モード用のいずれでもよい。また、希土
類元素を少なくとも一種含んだコア導波路の主材料には
SiO2系ガラスの代りに、屈折率制御用の添加物(Ti、G
e、P、B、Al、Znなど)を少なくとも一種含んだ多成
分系ガラスを用いてもよい。またコア導波路3′は断面
矩形構造の他、円形、楕円形などでもよい。さらに基板
1上にバッファ層2を儲けない構造でもよい。
単一モード、多モード用のいずれでもよい。また、希土
類元素を少なくとも一種含んだコア導波路の主材料には
SiO2系ガラスの代りに、屈折率制御用の添加物(Ti、G
e、P、B、Al、Znなど)を少なくとも一種含んだ多成
分系ガラスを用いてもよい。またコア導波路3′は断面
矩形構造の他、円形、楕円形などでもよい。さらに基板
1上にバッファ層2を儲けない構造でもよい。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明の導波路型光スターカプ
ラは、光信号を分配する機能と増幅する機能を合わせも
っているので、出力ポート数を多くしても低損失特性を
実現することが可能である。また、Y分岐導波路の分岐
角度θを大きくすることができるので、小形化も可能で
ある。さらに、コア導波路中への希土類元素のドープ量
を多くすることにより、あるいは励起光信号の強度を大
きくすることにより、導波路の吸収損失、散乱損失を補
うばかりでなく、分岐損失の一部をも補うことができ、
従来の光スターカプラ特性にない特性を実現可能であ
る。
ラは、光信号を分配する機能と増幅する機能を合わせも
っているので、出力ポート数を多くしても低損失特性を
実現することが可能である。また、Y分岐導波路の分岐
角度θを大きくすることができるので、小形化も可能で
ある。さらに、コア導波路中への希土類元素のドープ量
を多くすることにより、あるいは励起光信号の強度を大
きくすることにより、導波路の吸収損失、散乱損失を補
うばかりでなく、分岐損失の一部をも補うことができ、
従来の光スターカプラ特性にない特性を実現可能であ
る。
第1図(a)は本発明の導波路型光スターカプラの一実
施例を示す正面図、同図(b)は(a)におけるA−
A′断面図、第2図、第3図は夫々別の実施例を同様の
正面図及びA−A′断面図で示した図、第4図、第5図
は夫々従来の導波路型光スターカプラの例を同様の正面
図及びA−A′断面図で示した図である。 1:基板、 2:バッファ層、 3−3′:コア導波路、 4−4′:クラッド、 5−1〜5−9:Y分岐、 10:半導体レーザ、 13−1〜13−8;分岐導波路、 14−1〜14−7:方向性結合器。
施例を示す正面図、同図(b)は(a)におけるA−
A′断面図、第2図、第3図は夫々別の実施例を同様の
正面図及びA−A′断面図で示した図、第4図、第5図
は夫々従来の導波路型光スターカプラの例を同様の正面
図及びA−A′断面図で示した図である。 1:基板、 2:バッファ層、 3−3′:コア導波路、 4−4′:クラッド、 5−1〜5−9:Y分岐、 10:半導体レーザ、 13−1〜13−8;分岐導波路、 14−1〜14−7:方向性結合器。
Claims (3)
- 【請求項1】一の基板上に、希土類元素を少なくとも一
種含有したガラス材料よりなるコア導波路をM個(M≧
2の整数)の入力ポートとN個(N≧4の整数)の出力
ポートを有するようY分岐導波路の多段接続構造に形成
し、該入力ポートの一より信号光を他の入力ポートより
励起光を夫々入射させるようにしたことを特徴とする導
波路型光スターカプラ。 - 【請求項2】コア導波路が、SiO2又はSiO2にTi、Ge、
P、B、Al、Na、Kのうち少なくとも一種の添加物を含
むガラスに、Er、Nd、Yb、Ce、Ho、Tmのうち少なくとも
一種含有させたものであることを特徴とする請求項1記
載の導波路型光スターカプラ。 - 【請求項3】導波路構成が埋込み型またはリッジ型であ
ることを特徴とする請求項1または2記載の導波路型光
スターカプラ。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1099238A JP2675133B2 (ja) | 1989-04-19 | 1989-04-19 | 導波路型光スターカプラ |
US07/509,972 US5134672A (en) | 1989-04-19 | 1990-04-16 | Optical waveguide type star coupler |
GB9008689A GB2231412B (en) | 1989-04-19 | 1990-04-18 | Optical waveguide type star coupler |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1099238A JP2675133B2 (ja) | 1989-04-19 | 1989-04-19 | 導波路型光スターカプラ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02277030A JPH02277030A (ja) | 1990-11-13 |
JP2675133B2 true JP2675133B2 (ja) | 1997-11-12 |
Family
ID=14242111
Family Applications (1)
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