(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光信号を増幅するための第１活性層と、
第２光信号を増幅するための第２活性層と、
前記第１活性層と前記第２活性層との間に設けられ、前記第１活性層と前記第２活性層に対するキャリアの供給源として機能するキャリア供給層と
を含む導波路コアを備え、
前記第２光信号は、前記第１光信号と波長又は偏光方向が異なり、
前記第１活性層は、前記第２光信号に対する利得係数の絶対値が、前記第１光信号に対する利得係数の１０％以下となり、
前記第２活性層は、前記第１光信号に対する利得係数の絶対値が、前記第２光信号に対する利得係数の１０％以下となり、
前記第１および第２活性層におけるキャリア寿命が、前記第１および第２の光信号の変調速度に対して早くなっている
ことを特徴とする半導体光波形整形装置。
【請求項２】
前記第１活性層及び前記第２活性層が、いずれも、ドット底面サイズが１５ｎｍ未満、かつ、サイズばらつきが３％未満の量子ドット活性層である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光波形整形装置。
【請求項３】
前記キャリア供給層が、前記キャリア供給層の電位を所定電位に維持するための電極を備えた導電層である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体光波形整形装置。
【請求項４】
前記キャリア供給層が、トンネル接合である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体光波形整形装置。
【請求項５】
前記第１活性層の，前記キャリア供給層と対向していない面側と、前記第２活性層の，前記キャリア供給層と対向していない面側とに、それぞれ、第１種半導体層が設けられており、
前記キャリア供給層が、前記第１種半導体層とはキャリアが異なる第２種半導体層である
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体光波形整形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光波形整形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバにて数十ｋｍを超える長距離伝送を行う場合には、再生中継器にて、光ファイバでのパワー損失及び波形劣化を補償することが行われている。そして、現在、使用されている再生中継器は、光信号を一旦電気信号に変換するものとなっているのであるが、そのような再生中継器は、消費電力が大きく、製造コストがかかり、比較的に大サイズのものとならざるを得ない。
【０００３】
そのため、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）が有してい
る図１４に示したような性質、すなわち、入力信号が大きすぎると利得が飽和する性質、を利用して光信号を光信号のまま整形及び増幅する半導体光波形整形装置の開発が進められている。
【０００４】
なお、半導体光増幅器で光信号の波形整形を行うためには、利得飽和の応答時間が速い（キャリア寿命が短い）ことが必要である。そのため、半導体光波形整形装置としては、図１５に示したように、ＳＯＡに外部からレーザ光（アシスト光）を導入し、キャリア寿命を早めるようにしたものが開発されている。また、図１６に模式的に示したように、ＳＯＡの素子長を長くし、その長いＳＯＡ内で発生するＡＳＥ（amplified spontaneous emission：増幅された自然放出）光によりキャリア寿命を早めた半導体光波形整形装置（半導体光増幅器）も知られている。また、量子ドットを用いることにより、キャリア寿命を早めた半導体光波形整形装置（半導体光増幅器）も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１７６２２９号公報
【特許文献２】特開平４−３２２８７号公報
【特許文献３】特開２００６−１９６７８８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Tsurusawa, et.al. Indium Phosphide and Related Materials, 2001. IPRM. IEEE International Conference On, 2001、 174-177．
【非特許文献２】Gutierrez-Castrejon, et.al. IEEE J. Quantum Electron., 2000, Vol.36(12), 1476-1484．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような半導体光波形整形装置を用いれば、より小型の再生中継器を実現することが出来る。しかしながら、既存の半導体光波形整形装置は、単一の光信号（比較的に狭い波長範囲の光信号）の波形整形しか行えないものとなっている。そのため、近年発展している波長多重信号光についての光中継装置を既存の半導体光波形整形装置を用いて実現する場合、波長多重信号光に含まれる光信号数と同数の半導体光波形整形装置を用いざるを得なかった。
【０００８】
そこで、開示の技術の課題は、多重信号光用の光中継装置を、既存の半導体光波形整形装置を用いた場合よりも少ない部品数で実現できる半導体光波形整形装置を提供すること
にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、開示の技術の一態様の半導体光波形整形装置は、第１光信号を増幅するための第１活性層と、第２光信号を増幅するための第２活性層と、第１活性層と第２活性層との間に設けられ、第１活性層と第２活性層に対するキャリアの供給源として機能するキャリア供給層とを含む導波路コアを備え、第２光信号は、第１光信号と波長又は偏光方向が異なり、第１活性層は、第２光信号に対する利得係数が、第１光信号に対する利得係数の１０％以下となり、第２活性層は、第１光信号に対する利得係数が、第２光信号に対する利得係数の１０％以下となっている構成を有する。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成を採用しておけば、２種の光信号の波形整形を行える半導体光波形整形装置、すなわち、多重信号光用の光中継装置を既存の半導体光波形整形装置を用いた場合よりも少ない部品数で実現できる半導体光波形整形装置、を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る半導体光波形整形装置の断面図。
【図２】第１実施形態に係る半導体光波形整形装置の上面図。
【図３】出力光のＳ／Ｎ比と各活性層の利得係数比との間の関係を示した図。
【図４】活性層の利得係数比と、量子ドットのサイズ及びサイズばらつきとの間の関係を示した図。
【図５】第１実施形態に係る半導体光波形整形装置の等価回路図。
【図６】第１実施形態に係る半導体光波形整形装置が備えるキャリア供給層の機能の説明図。
【図７】第１実施形態に係る半導体光波形整形装置が備える各活性層の利得係数の波長依存性の説明図。
【図８】第１実施形態に係る半導体光波形整形装置の製造方法例の説明図。
【図９】第２実施形態に係る半導体光波形整形装置の断面図。
【図１０】第２実施形態に係る半導体光波形整形装置の上面図。
【図１１】第２実施形態に係る半導体光波形整形装置の等価回路図。
【図１２】第２実施形態に係る半導体光波形整形装置が備えるキャリア供給層の機能の説明図。
【図１３】第１実施形態に係る半導体光波形整形装置に採用可能な構成の説明図。
【図１４】半導体光波形整形装置の波形整形原理の説明図。
【図１５】既存の半導体光波形整形装置の説明図。
【図１６】既存の半導体光波形整形装置（半導体光増幅器）の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明者が開発した半導体光波形整形装置の二態様（以下、第１、第２実施形態に係る半導体光波形整形装置１、２と表記する。）を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
《第１実施形態》
まず、図１及び図２を用いて、第１実施形態に係る半導体光波形整形装置１の概要を説明する。なお、これらの図のうち、図１は、半導体光波形整形装置１の断面図であり、図２は、半導体光波形整形装置１の上面図である。
【００１４】
図１に示してあるように、第１実施形態に係る半導体光波形整形装置１は、半導体基板１０、第１活性層１１、キャリア供給層１３ａ、第２活性層１２、上部クラッド１４、第１〜第３電極１５〜１７等を備えた装置（半導体光増幅器）である。
【００１５】
この半導体光波形整形装置１（以下、単に、光波形整形装置１とも表記する）は、波長１４８０ｎｍの第１光信号及び波長１６２０ｎｍの第２光信号に対する波形整形及び増幅を行える装置である。また、光波形整形装置１は、第３電極１７を接地し、第１電極１５及び第２電極１６にそれぞれ正電位を与え、導波路コアに、第１光信号と第２光信号とを含む多重信号光を入力（入射）する（図２参照。）ことにより、使用する装置となっている。なお、光波形整形装置１の導波路コアとは、第１活性層１１と、キャリア供給層１３ａの，活性層１１、１２に挟まれた部分と、第２活性層１２とからなる部分のことである。
【００１６】
以上のことを前提に、以下、光波形整形装置１の構成及び機能をさらに具体的に説明する。なお、以下の説明において、或る部材（半導体基板１０等）の上面、下面とは、それぞれ、当該部材の図１における上側、下側の面のことである。また、或る部材の幅とは、当該部材の図１、図２における左右方向の長さのことである。
【００１７】
図１に示してあるように、光波形整形装置１は、半導体基板１０（本実施形態では、ｐ−ＩｎＰ（３１１）Ｂ基板）と、半導体基板１０の上面に形成された第１活性層１１と、半導体基板１０の下面に形成された第１電極１５とを、備えている。また、光波形整形装置１は、第１活性層１１上から導波路コア外まで伸びた形状のキャリア供給層１３ａも備えている。
【００１８】
キャリア供給層１３ａの，第１活性層１１上の部分に相当する端部上には、第１活性層１１と同幅の第２活性層１２が形成されている。また、キャリア供給層１３ａの他方の端部上には、第３電極１７が形成されている。
【００１９】
第２活性層１２上には、第２活性層１２（及び第１活性層１１）と同幅の上部クラッド１４（本実施形態では、ｐ−ＩｎＰ層）が形成されている。また、半導体基板１０上（及びキャリア供給層１３ａ上）には、導波路コアの側面を覆うように、埋込層１８（本実施形態では、半絶縁性ＩｎＰ層）が形成されている。そして、上部クラッド１４上には、第２電極１６が形成されている。
【００２０】
この光波形整形装置１が備える各活性層１１、１２は、形成面との間の格子定数のミスマッチを利用して、内部に多数の量子ドットを形成した自己形成量子ドット層（本実施形態では、Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット層）である。各活性層１１、１２は、各量子ドットの底面サイズ（底面の直径：以下、単に、サイズとも表記する）が１５ｎｍ以下となり、各量子ドットのサイズのばらつきが３％以内となるように、形成したものとなっている。また、第１活性層１１、第２活性層１２は、利得ピーク波長が、それぞれ、１４８０ｎｍ程度、１６２０ｎｍ程度となるように、形成したものともなっている。
【００２１】
各活性層１１、１２の利得ピーク波長を上記波長としているのは、第１活性層１１、第２活性層１２を、それぞれ、第１光信号（波長：１４８０ｎｍ）、第２光信号（波長：１６２０ｎｍ）増幅用の活性層とするためである。ただし、既に説明したように、光波形整形装置１は、第１光信号と第２光信号とを含む多重信号光を、導波路コアに入射して使用する装置（つまり、各活性層１１、１２に、第１光信号と第２光信号とが入射される装置）となっている。
【００２２】
従って、第１活性層１１の第２光信号に対する利得や、第２活性層１２の第１光信号に対する利得が過度に大きい場合には、入力光よりも出力光のＳ／Ｎ比が小さい光波形整形装置１が得られてしまうことになる。
【００２３】
そのため、この光波形整形装置１の開発時には、各活性層１１、１２の利得係数比がどの程度の値であれば、入力光よりもＳ／Ｎ比が大きな出力光が得られるのかを、シミュレーション計算により調べることが行われている。なお、第１活性層１１の利得係数比とは、第１活性層１１の“第２光信号に対する利得係数／第１光信号に対する利得係数”（単位は、％）のことであり、第２活性層１２の利得係数比とは、第２活性層１２の“第１光信号に対する利得係数／第２光信号に対する利得係数”（単位は、％）のことである。また、上記調査・研究のために行ったシミュレーション計算は、独立して機能するものでありさえすれば、量子ドット層ではない二活性層についても成立する条件を使用したものとなっている。
【００２４】
そして、その結果として、各活性層１１、１２が独立している場合には、図３に示したように、各活性層１１、１２の利得係数比が１０％以下であれば、入力光よりも出力光のＳ／Ｎ比が大きくなることが判明している。
【００２５】
従って、各活性層１１、１２が独立した活性層として機能し、かつ、各活性層１１、１２の利得係数比が１０％以下となるようにしておけば、第１光信号と第２光信号とを含む多重信号光の波形整形が可能な光波形整形装置を実現できることになる。ただし、各活性層１１、１２として、量子ドット層ではないものを採用した場合、キャリア寿命が比較的に長い光波形整形装置（高速光信号を処理できない光波形整形装置）が得られてしまうことになる。そのため、光波形整形装置１の各活性層１１、１２を、量子ドット層としているのである。
【００２６】
また、別途行った，各種Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット層の利得係数比を測定する実験からは、Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット層内の量子ドットのサイズと利得係数比との間に、図４に示した関係があることが分かっている。すなわち、各量子ドットのサイズ（図では、ドット底面サイズ）が１５ｎｍ以下となり、各量子ドットのサイズのばらつきが３％以内となるようにしておけば、利得係数比が１０％以下のＩｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット層が得られることが分かっている。
【００２７】
そのため、光波形整形装置１の各活性層１１、１２を、各量子ドットのサイズが１５ｎｍ以下であり、各量子ドットのサイズのばらつきが３％以内となっているものとしているのである。
【００２８】
図１に戻って、光波形整形装置１の説明を続ける。
キャリア供給層１３ａは、各活性層１１、１２を、独立した活性層（他方の活性層の状態変化の影響を受けない活性層）として機能させるために、設けられている層である。
【００２９】
各活性層１１、１２を独立した活性層として機能させることのみを目的とした場合、このキャリア供給層１３ａは、導電性層（導電性を有する材料からなる層）でありさえすれば良い。何故ならば、キャリア供給層１３ａが導電性層であれば、第３電極１７を接地し、第１電極１５及び第２電極１６にそれぞれ正電位を与えた場合、図５及び図６に模式的に示したように、キャリア供給層１３ａが各活性層１１、１２へのキャリアの供給源として機能することになる。そして、キャリア供給層１３ａが各活性層１１、１２へのキャリアの供給源として機能すれば、キャリアが第１活性層１１・第２活性層１２間で直接的に移動することがなくなる結果として、各活性層１１、１２が独立した活性層として機能することになるからである。
【００３０】
ただし、任意の材料上に、Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ自己形成量子ドット層（第２活性層１２）を形成できる訳ではない。そのため、光波形整形装置１は、キャリア供給層１３ａとして、ｎ−ＩｎＰ層を採用したものとなっている。
【００３１】
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る光波形整形装置１の構成、すなわち、『第１光信号を増幅するための、第２光信号に対する利得係数が第１光信号に対する利得係数の１０％以下となっている第１活性層１１と、第２光信号を増幅するための、第１光信号に対する利得係数が第２光信号に対する利得係数の１０％以下となっている第２活性層１２と、両活性層１１、１２間に設けられた，各活性層１１、１２に対するキャリアの供給源として機能するキャリア供給層１３ａとを含む導波路コアを備えた構成』を採用しておけば、２種類の光信号の波形整形及び増幅を行える光波形整形装置を実現することが出来る。
【００３２】
なお、上記構成を採用した光波形整形装置の実際の性能は、各活性層１１、１２の利得係数比や長さに応じたものとなる。
【００３３】
具体的には、図３から明らかなように、波形整形性能を高めるためには、各活性層１１、１２の利得係数比は、小さい方が良い。また、光導波路（導波路コアを中心とした部分）を、単一モード導波路とおいた方が、損失を小さくできる。そのため、光波形整形装置１は、各活性層１１、１２を、図７に示した特性を有するもの（利得係数比を極力小さくしたもの）とし、光導波路が単一モード導波路となるように、各活性層１１、１２の形状を決定したものとなっている。
【００３４】
また、高速光信号の波形整形を可能とするためには、各活性層１１、１２におけるキャリア寿命が短いことが必要とされる。より具体的には、４０Ｇｂｐｓ程度の第１、第２光信号の波形整形を可能とするためには、各活性層１１、１２におけるキャリア寿命を１０ｐｓ程度にする必要がある。そして、各活性層１１，１２の出力端におけるＡＳＥ光強度が１００ｍＷ程度となるようにしておけば、キャリア寿命を１０ｐｓ程度にすることが出来る。また、各活性層１１，１２の高次準位における利得を３５ｄＢ程度にすれば、各活性層１１，１２の出力端におけるＡＳＥ光強度を１００ｍＷ程度とすることが出来る。そのため、光波形整形装置１は、各活性層１１、１２の高次準位における利得が３５ｄＢ程度となるように素子長等を決定したものともなっている。
【００３５】
最後に、光波形整形装置１の製造方法を簡単に説明しておくことにする。
【００３６】
上記のような構成を有する光波形整形装置１は、様々な手順で製造できる。例えば（図１参照。）、キャリア供給層１３ａの形成面（第１活性層１１とキャリア供給層１３ａ下の埋込層１８）を、半導体基板１０上に形成した後、残りの各層（キャリア供給層１３ａ、第２活性層１２等）を形成することにより、光波形整形装置１を製造することも出来る。
【００３７】
ただし、そのような手順だと、キャリア供給層１３ａ形成後に、複雑なプロセスが必要とされることになる。そのため、光波形整形装置１の製造時には、以下の手順を採用しておくことが望ましい。
【００３８】
まず、一般的な光波形整形装置の製造時と同様の手順で、図８に示したような構成を得る。すなわち、半導体基板１０上に、第１活性層１１、キャリア供給層１３ａの一部１３ａ′、第２活性層１２及び上部クラッド１４の積層体が形成されている構成を得る。次いで、当該構成の，図８における右側（又は左側）の部分に、第１活性層１１と同じ厚さの埋込層１８を形成する。そして、形成した埋込層１８上へ、キャリア供給層１３ａの残りの部分を形成してから、キャリア供給層１３ａ上への埋込層１８の形成等を行うことによって、光波形整形装置１を製造する。
【００３９】
《第２実施形態》
図９、図１０に、それぞれ、第２実施形態に係る光波形整形装置（半導体光波形整形装置）２の断面図、上面図を示す。
【００４０】
この光波形整形装置２も、上記した光波形整形装置１と同様に、第１活性層１１と第２活性層１２とを含む導波路コアを備え、当該導波路コアに、波長１４８０ｎｍの第１光信号と波長１６２０ｎｍの第２光信号とを含む多重信号光を入力して使用する装置である。
【００４１】
また、光波形整形装置２は、第１活性層１１、第２活性層１２、上部クラッド１４、埋込層１８として、光波形整形装置１が備えるものと同じものを備えた装置となっている。
【００４２】
すなわち、光波形整形装置２は、第１活性層１１として、各量子ドットの底面サイズが１５ｎｍ以下であり、各量子ドットのサイズのばらつきが３％以内であり、利得ピーク波長が１４８０ｎｍ付近にあるＩｎ（Ｇａ）Ａｓ自己形成量子ドット層を備えている。また、光波形整形装置２は、第２活性層１２として、各量子ドットの底面サイズが１５ｎｍ以下であり、各量子ドットのサイズのばらつきが３％以内であり、利得ピーク波長が１６２０ｎｍ付近にあるＩｎ（Ｇａ）Ａｓ自己形成量子ドット層を備えている。さらに、光波形整形装置２は、上部クラッド１４、埋込層１８として、それぞれ、ｐ−ＩｎＰ層、半絶縁性ＩｎＰ層を備えている。
【００４３】
このように、光波形整形装置２は、光波形整形装置１と類似した構成を有するものなのであるが、光波形整形装置２に使用されている半導体基板１０は、ｐ−ＩｎＰ（３１１）Ｂ基板ではなく、ｎ−ＩｎＰ（３１１）Ｂ基板となっている。
【００４４】
また、光波形整形装置２の第１活性層１１と第２活性層１２との間には、幅広のキャリア供給層１３ａ（図１参照）ではなく、第１活性層１１等と同じ幅のキャリア供給層１３ｂが設けられている。
【００４５】
そして、光波形整形装置２は、このキャリア供給層１３ｂを、ｎ−ＩｎＧａＡｓ（１０19ｃｍ-3）／ｐ−ＩｎＧａＡｓ（１０19ｃｍ-3）で構成されたトンネル接合（トンネル障壁層）としたものとなっている。
【００４６】
要するに、光波形整形装置２は、第１電極１５を接地し，第２電極１６に正電位を与えた場合、図１１、図１２に模式的に示したような形で、各活性層１１，１２にキャリア（電子又は正孔）が注入される構成を有している。すなわち、光波形整形装置２は、装置の駆動時に、キャリア供給層１３ｂが、各活性層１１、１２へのキャリアの供給源（又は、第１活性層１１・第２活性層１２間でのキャリアの直接的な移動を抑止する層）として機能する構成を有している。従って、光波形整形装置２の各活性層１１，１２は、独立した活性層として機能することになる。
【００４７】
そして、光波形整形装置２の各活性層１１、１２は、利得係数比が１０％以下の層となっている。そのため（図３，４参照）、この光波形整形装置２の構成を採用しておいても、２種類の光信号の波形整形及び増幅を行える光波形整形装置を実現出来ることになる。
【００４８】
《変形形態》
上記した光波形整形装置１、２は、各種の変形を行えるものである。例えば、各実施形態に係る光波形整形装置１、２は、利得ピーク波長の異なる活性層１１、１２を備えたものであったが、光波形整形装置１、２を、利得を有する光信号の偏光方向が異なる活性層１１、１２を備えたものに変形することも出来る。すなわち、光波形整形装置１、２を、所定方向に偏光した第１光信号に対する利得が特に大きな第１活性層１１（又は第２活性
層１２）、第１光信号とは偏光方向が異なる第２光信号に対する利得が特に大きな第２活性層１２（又は第１活性層１１）を備えたものに変形することも出来る。
【００４９】
また、『波形整形対象の波長帯が１．３μｍ帯である場合には、ＧａＡｓ基板、ＧａＡｓ系量子ドット層を用いる』といったように、波形整形対象の波長帯などに応じて、半導体基板１０や各活性層１１、１２の材料は変更することができる。ただし、半導体基板１としてＩｎＰ基板を使用する場合には、（３１１）Ｂ基板を使用しておくことが好ましい。何故ならば、ＩｎＰ（３１１）Ｂ基板を使用しておけば、量子ドットのサイズの小型化・均一化を比較的に簡単に実現できるからである。
【００５０】
光波形整形装置１を、図１３に示した構成を有するものに変形することも出来る。すなわち、光波形整形装置１を、半導体基板１０上に、第１活性層１１、キャリア供給層１３ａの一部１３ａ′、第２活性層１２及び上部クラッド１４の積層体を形成した後（図８参照。）、当該積層体の両側に同時に埋込層１８等を形成できる構成を有するものに変形することも出来る。
【００５１】
また、光波形整形装置１を、半導体基板１０、上部クラッド１４が、いずれも、ｎ型半導体であり、キャリア供給層１３ａが、ｐ型半導体である装置に変形することも出来る。ただし、そのように変形すると、損失が大きくなるし、素子抵抗も高くなる。そのため、半導体基板１０、上部クラッド１４は、ｐ型半導体とし、キャリア供給層１３ａは、ｐ型半導体としておくことが望ましい。
【００５２】
また、各活性層１１、１２を、量子ドットを含まない層としておくことも出来る。ただし、各活性層１１、１２を、量子ドットを含まない層として、高性能かつ小型の光波形整形装置を実現することは困難である。そのため、各活性層１１、１２としては、量子ドット層を採用しておくことが望ましい。
【符号の説明】
【００５３】
１、２・・・半導体光波形整形装置
１０・・・半導体基板
１１・・・第１活性層
１２・・・第２活性層
１３ａ、１３ｂ・・・キャリア供給層
１４・・・上部クラッド
１５・・・第１電極
１６・・・第２電極
１７・・・第３電極
１８・・・埋込層
【図１】
0005521678.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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