JPH1117248A - 半導体レーザ用高反射膜構造および半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ用高反射膜構造および半導体レーザ

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JPH1117248A
JPH1117248A JP16839997A JP16839997A JPH1117248A JP H1117248 A JPH1117248 A JP H1117248A JP 16839997 A JP16839997 A JP 16839997A JP 16839997 A JP16839997 A JP 16839997A JP H1117248 A JPH1117248 A JP H1117248A
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layer
refractive
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JP16839997A
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Mitsuru Sugo
満 須郷
Akihiko Nishitani
昭彦 西谷
Tatsuya Takeshita
達也 竹下
Ryuzo Iga
龍三 伊賀
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高出力半導体レーザ用高反射膜構造および高
出力半導体レーザを提供することを課題とする。 【解決手段】 低屈折率層と高屈折率層を交互に積層し
構成する半導体レーザ用高反射膜構造において、半導体
レーザ1に接する第一の低屈折率層2が少なくともSi
2 よりも放熱性の高い材料から構成され、次いで半導
体レーザ1に近い第二の低屈折率層以降の低屈折率層8
が該第一の低屈折率層2より屈折率の低い材料から構成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高出力半導体レー
ザ用高反射膜構造および高出力半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、レーザ後端面に高反射膜を備えた
半導体レーザが種々提案されている。このような半導体
レーザによれば、GaAs基板上に積層されたGaAs
/AlGaAs,InGaPを活性層とした0.6〜
0.8μm帯のレーザは光情報記録、光情報記録再生に
用いられている。さらには、光情報記録の記録密度を上
げるために半導体レーザの短波長化が求められており、
ZnSe系、GaN系活性層を有する短波長レーザが提
案されている。また近年、GaAs基板上に積層された
InGaAs/GaAs歪量子井戸層を活性層とした
0.8から1.1μmまでの波長帯のレーザはEDFA
およびPDFAファイバーアンプ用の励起光源として用
いられるようになっている。これらのレーザには高出力
化が求められており、このため効率良くレーザ前端面方
向に光を出射させるためにレーザ後端面に高反射膜を備
えた構成としている。しかし、高出力動作においても十
分な信頼性を有する半導体レーザが得にくいという問題
があった。
【0003】半導体レーザの劣化姿態についてはこれま
でいくつかの検討が行われてきている。これらの劣化の
うちでとりわけ短波長レーザで顕著に見られるものとし
てレーザ後端面に備えた高反射膜に起因した劣化が挙げ
られている。この高反射膜に起因した劣化の一つは半導
体レーザの後端面での発熱による活性層内の転位欠陥の
発生、それに伴うダークライン劣化である。このため、
高反射膜、とりわけ半導体レーザに接する第一の低屈折
率層にはAl2 3 などの高い放熱性を示す材料が用い
られていた。高反射膜に起因した劣化の二つ目は低屈折
率層と高屈折率層を交互に積層し構成している高反射膜
の高屈折率層がレーザ光に対して吸収媒体になっている
ことによる。これは高反射膜の反射率は低屈折率層と高
屈折率層の屈折率差が大きいほど大きくなるため非晶質
シリコン(a−Si)のように屈折率は大きいがレーザ
光に対して吸収を持つ材料を用いるためである。この高
屈折率層のレーザ光の吸収は発熱を伴い、高屈折率層自
体の変質による高反射膜の反射率の変化、半導体レーザ
後端面の劣化に結び付く。
【0004】これまでの高反射膜は低屈折率層としてA
2 3 を用い、高屈折率層としてa−Siを用いる層
構成のものが主に用いられてきた(図9参照)。図9に
おいて、1は半導体レーザ、2はAl2 3 第一の低屈
折率層、3はa−Si第一の高屈折率層、4はAl2
3 第二の低屈折率層、5は非晶質シリコン(a−Si)
第二の高屈折率層を示す。この高反射膜には上述の吸収
の問題を含んでいるが、放熱性には優れていたためこれ
までの光出力レベルではさほど問題とならずにこれまで
来ていた。しかし、高出力レーザの開発が進むにつれ、
高反射膜の吸収の問題が表面化するようになってきてい
る。
【0005】これまでのもう一つの高反射膜として低屈
折率層としてSiO2 を用い、高屈折率層としてTiO
2 を用いる層構成のものも用いられている。この高反射
膜は主にInP基板を用いて作製される1.3μm以上
の長波長帯レーザに用いられている。ここで用いられて
いる高屈折率層はレーザ光に対する吸収がないため高出
力レーザに対しても上述の吸収の問題の解決を与えるも
のと考えられる。
【0006】また、高反射膜にとってもう一つ重要な問
題は応力である。この高反射膜から発生する応力によっ
て半導体層内に転位欠陥が発生し、ダークライン劣化の
原因ともなっている。この半導体層に働く応力は高反射
膜内の歪・膜厚に依存する。高反射膜の反射率は低屈折
率層、高屈折率層の繰り返し数が多ければ多いほど大き
くなって行くが、半導体層に働く応力も大きくなって行
くため低屈折率層、高屈折率層の繰り返し数も制限され
ている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の高出力
半導体レーザ用高反射膜構造のうちで低屈折率層として
Al2 3 を用い、高屈折率層としてa−Siを用いる
層構成の場合、優れた放熱性を備えているため、半導体
レーザの後端面での発熱による劣化の防止には効果があ
る。しかし、高屈折率層自体のレーザ光の吸収に起因し
た発熱により高屈折率層自体の変質による反射率の変
化、半導体レーザ後端面の劣化をもたらすという欠点を
有していた。このため高屈折率層をレーザ光に対して吸
収の無いTiO2 とすることで吸収を防ぐ試みがなされ
ている(図10参照)。図10において、1は半導体レ
ーザ、2はAl2 3 第一の低屈折率層、6はTiO2
第一の高屈折率層、4はAl2 3 第二の低屈折率層、
7はTiO2 第二の高屈折率層を示す。
【0008】しかし、この層構成では低屈折率層と高屈
折率層の屈折率差が小さいため、十分な反射率が得られ
ないという欠点を有していた。図11に図10の場合の
反射率の波長依存性を示す。反射率のピーク値として約
76%と低い値を示している。この層構成でさらに反射
率を上げるためには低屈折率層、高屈折率層の繰り返し
数を増やすことで容易に行えるが、半導体層に働く応力
も大きくなるため応力によって半導体層内に転位欠陥が
発生し、ダークライン劣化をもたらすという欠点を有し
ていた。
【0009】従来の高出力半導体レーザ用高反射膜構造
のうちで低屈折率層としてSiO2を用い、高屈折率層
としてTiO2 を用いる層構成の場合、レーザ光に対す
る吸収がないため高出力レーザに対しても上述の吸収の
問題の解決を与えるものがある。さらに低屈折率層と高
屈折率層間に十分な屈折率差があるため、2程度の低屈
折率層、高屈折率層の繰り返し数であっても十分な反射
率が得られている。しかし、SiO2 は放熱性が悪いた
め半導体レーザの後端面での発熱にたいしては低減する
効果が少なく、高出力動作時には半導体レーザの後端面
での発熱による活性層内の転位欠陥の発生、それに伴う
ダークライン劣化引き起こされるという欠点を有してい
た。
【0010】よって、本発明は、上述した欠点のない、
新規な高出力半導体レーザ用高反射膜構造およびそれを
備えた半導体レーザを提案せんとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決する半導
体レーザ用高反射膜構造および半導体レーザの発明は以
下により特定されるものである。 (1)[請求項1]の半導体レーザ用高反射膜構造の発
明は、低屈折率層と高屈折率層を交互に積層し構成する
半導体レーザ用高反射膜構造において、半導体レーザに
接する第一の低屈折率層が少なくともSiO2 よりも放
熱性の高い材料から構成され、次いで半導体レーザに近
い第二の低屈折率層以降の低屈折率層が該第一の低屈折
率層より屈折率の低い材料から構成されていることを特
徴とする。
【0012】(2)[請求項2]の発明は、前記[請求
項1]において、第一の低屈折率層がAl2 3 から構
成され、第二の低屈折率層以降の低屈折率層がSiO2
から構成されていることを特徴とする。
【0013】(3)[請求項3]の発明は、低屈折率層
と高屈折率層を交互に積層し構成する半導体レーザ用高
反射膜構造において、低屈折率層が少なくとも一つのA
2 3 層と少なくとも一つのSiO2 層とから構成さ
れていることを特徴とする。
【0014】(4)前記[請求項4]の発明は、請求項
1から3の半導体レーザ用高反射膜構造において、高屈
折率層がTiO2 から構成されていることを特徴とす
る。
【0015】(5)[請求項5]の半導体レーザの発明
は、[請求項1]から[請求項4]に記載の高反射構成
膜を備えていることを特徴とする。
【0016】[作用]本発明による半導体レーザ用高反
射膜構造および半導体レーザによれば、従来の半導体レ
ーザ用高反射膜構造のように、高屈折率層としてa−S
iを用いていないため、高屈折率層自体のレーザ光の吸
収に起因した発熱により高屈折率層自体の変質による反
射率の変化、半導体レーザ後端面の劣化を防止すること
が可能である。また低屈折率層としてAl2 3 を用
い、高屈折率層としてTiO2 を用いる場合のように、
低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が小さいために、十
分な反射率が得られないという欠点も回避できる。図1
に本発明の試験例1による図2の場合の反射率の波長依
存性を示す。試験例1の高反射膜構造の断面を示す図2
において、符号1は半導体レーザ、2はAl2 3 第一
の低屈折率層、6はTiO2 第一の高屈折率層、8はS
iO2 第二の低屈折率層、7はTiO2 第二の高屈折率
層を各々図示する。反射率のピーク値として約83%と
十分な値を示している。また、図3に本発明の試験例2
による図4の場合の反射率の波長依存性を示す。試験例
2の高反射膜構造の断面を示す図4において、符号1は
半導体レーザ、9は第一の低屈折率層Al2 3 部、1
0は第一の低屈折率層SiO2 部、6はTiO2 第一の
高屈折率層、8はSiO2 第二の低屈折率層、7はTi
2 第二の高屈折率層を各々図示する。反射率のピーク
値として85%以上の十分な値を示している。
【0017】本発明による半導体レーザ用高反射膜構造
および半導体レーザによれば、従来の高出力半導体レー
ザ用高反射膜構造のうちで低屈折率層としてSiO2
用いる層構成の場合のように、放熱性の悪いSiO2
半導体レーザに接する第一の低屈折率層としていないた
め、半導体レーザの後端面での発熱にたいしては低減す
る効果が少なく、高出力動作時においても半導体レーザ
の後端面での発熱による活性層内の転位欠陥の発生、そ
れに伴うダークライン劣化が引き起こされるという欠点
のない、信頼性の高い高出力半導体レーザを提供する事
ができる。
【0018】
【実施例】次に、本発明の好適な実施例を図面を参照し
て説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。
【0019】[実施例1]図5は、本発明の第一の実施
例による半導体レーザの積層構造の断面図である。図5
において、符号11はn+ −GaAs基板、12はn−
GaAsバッファ層、13はn−AlGaAsクラッド
層、14および18はAlGaAsガイド層、15およ
び17はAlGaAsSCH(Separate Confinement He
terostructure)層、16はInGaAs歪量子井戸活性
層、19はp−AlGaAsクラッド層、20はp+
GaAsコンタクト層を各々図示する。この構造を実現
するために、エピタキシャル結晶成長装置(MOCVD
法:有機金属気相成長装置あるいはMBE法:分子線エ
ピタキシー法)により、n+ −GaAs基板11上にエ
ピ層2から11まで成長する。MOVPE法では、半導
体薄膜成長用の原料としてトリメチルインジウム(TM
I)、トリエチルガリウム(TEG)、トリメチルアル
ミニウム(TMA)、アルシン(AsH3 )を、n型ド
ーパントとして硫化セレン(H2 Se)、p型ドーパン
トとしてジエチルジンク(DEZn)を利用した。エピ
タキシャル成長温度は約700℃、成長圧力は約0.1
気圧、キャリヤガスは水素である。MBE法では原料と
して金属ガリウム(Ga)、インジウム(In)、アル
ミニウム(Al)、砒素(As固体)を、n型ドーパン
トとしてシリコン(Si)、p型ドーパントとして亜鉛
(Zn)を利用した。エピタキシャル成長温度は約65
0℃、成長圧力は約10-5Torrとしている。
【0020】成長後、GaAsコンタクト層20並びに
クラッド層19を加工して、幅1.5〜3μm程度のリ
ッジを形成する。そのためにフォトリソグラフィーでレ
ジストパターニングし、これをマスクにウエットあるい
はドライエッチングで20,19層をエッチングする。
リッジ形成後、スパッタリング等で絶縁膜21(SiO
2 等)を表面全体に形成し、リッジ上部のSiO2 をエ
ッチオフした後、Cr/AuあるいはTi/Pt/Au
等のp電極22、AuGeNi等のn電極23を形成す
る。その後、オーミックシンターし電極部を形成する。
図6は、本発明の第一の実施例による半導体レーザの共
振器方向の断面図である。
【0021】次いで、へき開により共振器長のピッチで
レーザの端面を形成する。その後、レーザ前端面にはA
2 3 反射防止膜を形成し、レーザ後端面にはECR
スパッタ法によりAl2 3 第一の低屈折率層、TiO
2 第一の高屈折率層、SiO 2 第二の低屈折率層、Ti
2 第二の高屈折率層からなる図2に記載した構成の高
反射膜を形成した。ここで各層の厚さdは以下の式で表
わされる値とした。 d=λ/4n ここで、λは発振波長、nは各層の屈折率である。
【0022】本発明の実施例1によるレーザは同一ウエ
ハを用いて高反射膜を低屈折率層としてAl2 3 を用
い、高屈折率層としてa−Siを用いる層構成の従来の
レーザと比較して同等の発光強度を示していた。このこ
とは本実施例の高反射膜の反射率が従来の高反射膜と比
較して十分な反射率であることを示している。さらに本
実施例のレーザは従来のレーザと比較して劣化率の小さ
い安定な動作が可能である。たとえば、50℃、150
mWで出力一定の条件で、駆動電流の増加率は従来のレ
ーザでは約5×10-5-1であるのに対して本実施例の
レーザは1×10-5-1以下の増加率を示していた。こ
れは、高屈折率層としてa−Siを用いていないため、
高屈折率層自体のレーザ光の吸収に起因した発熱により
高屈折率層自体の変質による反射率の変化、半導体レー
ザ後端面の劣化を防止できたためである。
【0023】[実施例2]図7は、本発明の第二の実施
例による半導体レーザの積層構造の断面図である。図7
において、符号24はn+ −GaAs基板、25はn−
GaAsバッファ層、26はn−InGaAlPクラッ
ド層、27および29はInGaAlPガイド層、28
はInGaP/InGaAlP歪多重量子井戸活性層、
30はp−InGaAlPクラッド層、31はp+ −G
aAsコンタクト層を各々図示する。
【0024】この構造を実現するために、エピタキシャ
ル結晶成長装置(MOCVD法:有機金属気相成長装置
あるいはMBE法:分子線エピタキシー法)により、n
+ −GaAs基板24上にエピ層2から11まで成長す
る。MOVPE法では、半導体薄膜成長用の原料として
トリメチルインジウム(TMI)、トリエチルガリウム
(TEG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、ホス
フィン(PH3 )を、n型ドーパントとして硫化セレン
(H2 Se)、p型ドーパントとしてジエチルジンク
(DEZn)を利用した。エピタキシャル成長温度は約
700℃、成長圧力は約0.1気圧、キャリヤガスは水
素である。MBE法では原料として金属ガリウム(G
a)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、ホ
スヒィン(PH3 )を、n型ドーパントとしてシリコン
(Si)、p型ドーパントとして亜鉛(Zn)を利用し
た。エピタキシャル成長温度は約650℃、成長圧力は
約10 -5Torrとしている。
【0025】成長後、GaAsコンタクト層31並びに
クラッド層30を加工して、幅2〜5μm程度のリッジ
を形成する。そのためにフォトリソグラフィーでレジス
トパターニングし、これをマスクにウエットあるいはド
ライエッチングで31,30層をエッチングする。リッ
ジ形成後、スパッタリング等で絶縁膜32(SiO
2等)を表面全体に形成し、リッジ上部のSiO2 をエ
ッチオフした後、Cr/AuあるいはTi/Pt/Au
等のp電極33、AuGeNi等のn電極34を形成す
る。その後、オーミックシンターし電極部を形成する。
図8は、本発明の第二の実施例による半導体レーザの共
振器方向の断面図である。
【0026】次いで、へき開により共振器長のピッチで
レーザの端面を形成する。その後、レーザ前端面にはA
2 3 反射防止膜を形成し、レーザ後端面にはECR
スパッタ法によりAl2 3 とSiO2 からなる第一の
低屈折率層、TiO2 第一の高屈折率層、SiO2 第二
の低屈折率層、TiO2 第二の高屈折率層からなる図4
に記載した構成の高反射膜を形成した。ここで第一の低
屈折率層以外の各層の厚さdは以下の式で表わされる値
とした。 d=λ/4n ここで、λは発振波長、nは各層の屈折率である。ま
た、第一の低屈折率層のAl2 3 層の層厚d1とSi
2 層の層厚d2には以下の関係のもとに決定した。 λ=4n1d1+4n2d2 ここで、n1 ,n2 はそれぞれAl2 3 層、SiO2
層の屈折率である。
【0027】本発明の実施例1によるレーザは同一ウエ
ハを用いて高反射膜を低屈折率層としてAl2 3 を用
い、高屈折率層としてa−Siを用いる層構成の従来の
レーザと比較して同等の発光強度を示していた。このこ
とは本実施例の高反射膜の反射率が従来の高反射膜と同
等の反射率であることを示している。
【0028】さらに本実施例のレーザは従来のレーザと
比較して安定な動作が可能である。たとえば、50℃、
50mWで出力一定の条件で、駆動電流の増加が所期値
の1.2倍になった時点を寿命とした場合、従来のレー
ザの寿命は1000時間程度であるのに対して本実施例
のレーザは2000時間以上の安定な動作を示してい
た。これは、高屈折率層としてa−Siを用いていない
ため、高屈折率層自体のレーザ光の吸収に起因した発熱
により高屈折率層自体の変質による反射率の変化、半導
体レーザ後端面の劣化を防止できたためである。
【0029】
【発明の効果】本発明による半導体レーザの積層構造に
よれば、低屈折率層と高屈折率層を交互に積層し構成す
る半導体レーザ用高反射膜構造において、半導体レーザ
に接する第一の低屈折率層が放熱性の高い材料から構成
され、次いで半導体レーザに近い第二の低屈折率層以降
の低屈折率層が該第一の低屈折率層より屈折率の低い材
料から構成している。これにより、高反射膜の反射率の
低下によるレーザの発光強度を劣化させることなく、従
来問題になっていた半導体レーザの後端面での発熱によ
る活性層内の転位欠陥の発生、それに伴うダークライン
劣化を抑制することと、高屈折率層のレーザ光の吸収は
発熱を伴う、高屈折率層自体の変質による高反射膜の反
射率の変化、半導体レーザ後端面の劣化を同時に抑制す
ることが可能になった。この結果、レーザの信頼性につ
いては従来技術の約5倍以上の劣化率低減効果が達成さ
れた。
【0030】上記実施例はGaAs基板上に積層された
InGaAs/GaAsおよびInGaP/InGaA
lP歪量子井戸層を活性層とした0.6から1μm以上
の波長帯の半導体レーザに関するものであるが、同様の
効果はGaAs基板上に積層されたGaAs/AlGa
As、AlGaAsを活性層とした半導体レーザにおい
ても有効である。また、さらに短波長のZnSe系、ま
たはGaN系活性層を有する半導体レーザにおいても有
効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の試験例1の高反射膜構造の反射率の波
長依存性を示す図である。
【図2】本発明の試験例1の高反射膜構造の断面を示す
図である。
【図3】本発明の試験例2の高反射膜構造の反射率の波
長依存性を示す図である。
【図4】本発明の試験例2の高反射膜構造の断面を示す
図である。
【図5】本発明の第一の実施例による半導体レーザの積
層構造の断面を示す図である。
【図6】本発明の第一の実施例による半導体レーザの共
振器方向の断面図である。
【図7】本発明の第二の実施例による半導体レーザの積
層構造の断面を示す図である。
【図8】本発明の第二の実施例による半導体レーザの共
振器方向の断面図である。
【図9】従来の高反射膜構造の断面を示す図である。
【図10】改良された従来の高反射率構造の断面を示す
図である。
【図11】改良された従来の高反射膜構造の反射率の波
長依存性を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ 2 Al2 3 第一の低屈折率層 3 a−Si第一の高屈折率層 4 Al2 3 第二の低屈折率層 5 a−Si第二の高屈折率層 6 TiO2 第一の高屈折率層 7 TiO2 第二の高屈折率層 8 SiO2 第二の低屈折率層 9 第一の低屈折率層Al2 3 部 10 第一の低屈折率層SiO2 部 11 n+ −GaAs基板 12 n−GaAsバッファ層 13 n−AlGaAsクラッド層 14 AlGaAsガイド層 15 AlGaAsSCH層 16 InGaAs歪量子井戸活性層 17 AlGaAsSCH層 18 AlGaAsガイド層 19 p−AlGaAsクラッド層 20 p+ −GaAsコンタクト層 21 絶縁膜 22 p電極 23 n電極 24 n+ −GaAs基板 25 n−GaAsバッファ層 26 n−InGaAlPクラッド層 27 InGaAlPガイド層 28 InGaP/InGaAlP歪量子井戸活性層 29 InGaAlPガイド層 30 p−InGaAlPクラッド層 31 p+ −GaAsコンタクト層 32 絶縁膜 33 p電極 34 n電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊賀 龍三 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 低屈折率層と高屈折率層を交互に積層し
    構成する半導体レーザ用高反射膜構造において、 半導体レーザに接する第一の低屈折率層が少なくともS
    iO2 よりも放熱性の高い材料から構成され、次いで半
    導体レーザに近い第二の低屈折率層以降の低屈折率層が
    該第一の低屈折率層より屈折率の低い材料から構成され
    ていることを特徴とする半導体レーザ用高反射膜構造。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 第一の低屈折率層がAl2 3 から構成され、第二の低
    屈折率層以降の低屈折率層がSiO2 から構成されてい
    ることを特徴とする半導体レーザ用高反射膜構造。
  3. 【請求項3】 低屈折率層と高屈折率層を交互に積層し
    構成する半導体レーザ用高反射膜構造において、 低屈折率層が少なくとも一つのAl2 3 層と少なくと
    も一つのSiO2 層とから構成されていることを特徴と
    する半導体レーザ用高反射膜構造。
  4. 【請求項4】 請求項1から3の半導体レーザ用高反射
    膜構造において、 高屈折率層がTiO2 から構成されていることを特徴と
    する半導体レーザ用高反射膜構造。
  5. 【請求項5】 レーザ後端面に高反射膜を備えた半導体
    レーザにおいて、 請求項1から4に記載の高反射構成膜を備えていること
    を特徴とする半導体レーザ。
JP16839997A 1997-06-25 1997-06-25 半導体レーザ用高反射膜構造および半導体レーザ Pending JPH1117248A (ja)

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JP16839997A JPH1117248A (ja) 1997-06-25 1997-06-25 半導体レーザ用高反射膜構造および半導体レーザ

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