(57)【要約】【課題】小型で消費電力の小さい光変調器を提供する。【解決手段】分極を反転しない領域１７ａと反転する領域１７ｂを有する基板１と、第１及び第２の光導波路１８ａ、１８ｂとを備えた光導波路１８を具備し、第１及び第２の光導波路を伝搬する光と、中心導体１９ａ及び接地導体１９ｂ、１９ｃからなる進行波電極を伝搬する電気信号が相互作用する相互作用部が、互いに異なる方向に分極した第１及び第２の相互作用部２０ａ、２０ｂを含み、中心導体は第１及び第２の相互作用部で第１もしくは第２の光導波路に対向し、第１及び第２の相互作用部で第１及び第２の光導波路を伝搬する光の位相を変調する光変調器において、第１及び第２の相互作用部の間に光導波路シフト部２０ｃを設け、第１及び第２の相互作用部にて、中心導体及び接地導体と、第１及び第２の光導波路の相対位置が入れ替わるようにする。【選択図】図１
2006259686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転する領域を有する基板と、
前記基板の一面側に形成され、入射した光を分岐するための分岐光導波路と、分岐された前記光を伝搬するための第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を伝搬する前記光を合波するための合波光導波路を備えた光導波路を具備し、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を伝搬する光と、中心導体及び接地導体からなる進行波電極を伝搬する電気信号が相互作用する相互作用部が、互いに異なる方向に分極した第１の相互作用部と第２の相互作用部を含み、
前記中心導体は前記第１の相互作用部と前記第２の相互作用部で前記第１の光導波路もしくは前記第２の光導波路に対向し、
前記第１の相互作用部及び前記第２の相互作用部で前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を伝搬する前記光の位相を変調して光信号パルスを生成する光変調器において、
前記第１の相互作用部と前記第２の相互作用部の間に光導波路シフト部を設けることにより、
前記第１の相互作用部及び前記第２の相互作用部で前記第１の光導波路同士の光軸を異ならしめるとともに、前記第１の相互作用部及び前記第２の相互作用部で前記第２の光導波路同士の光軸を異ならしめ、
前記第１の相互作用部と前記第２の相互作用部にて、前記中心導体及び前記接地導体と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の相対位置が入れ替わっていることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記第１の相互作用部の長さと前記第２の相互作用部の長さがほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記第１の相互作用部の長さが前記第２の相互作用部の長さよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項４】
前記相互作用部における前記分極を反転しない領域及び前記分極を反転した領域の少なくとも一方が複数個あり、該それぞれの領域の境界に前記光導波路シフト部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項５】
前記相互作用部における前記分極を反転しない領域及び前記分極を反転した領域の数の和が奇数個であることを特徴とする請求項４に記載の光変調器。
【請求項６】
前記相互作用部における前記分極を反転しない領域及び前記分極を反転した領域の各々の長さの和が互いにほぼ等しいことを特徴とする請求項５に記載の光変調器。
【請求項７】
前記基板が前記分極を反転しない領域及び前記分極を反転した領域のどちらか一方である場合よりも、前記光信号パルスのチャーピングが小さくなることを特徴とする請求項１乃至６に記載の光変調器。
【請求項８】
前記相互作用部における前記中心導体がほぼ直線であることを特徴とする請求項１乃至７に記載の光変調器。
【請求項９】
前記光導波路シフト部にて、前記中心導体の一部が前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の一方と略平行に形成されていることを特徴とする請求項１乃至７に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で消費電力の小さい光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）のように電界を印加することにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板（以下、ＬＮ基板と略す）に光導波路と進行波電極を形成した進行波電極型リチウムナイオベート光変調器（以下、ＬＮ光変調器と略す）は、その優れたチャーピング特性から２．５Ｇｂｉｔ/ｓ、１０Ｇｂｉｔ/ｓの大容量光伝送システムに適用されている。最近はさらに４０Ｇｂｉｔ/ｓの超大容量光伝送システムにも適用が検討されており、キーデバイスとして期待されている。
【０００３】
［第１従来例］
図７にｚ−カットＬＮ基板１を用いて構成したＬＮ光変調器について第１従来例の斜視図を示す。図８は図７のＡ−Ａ’における断面図である。ここで、１はｚ−カットＬＮ基板、２はＳｉＯ２バッファ層、３はマッハツェンダ光導波路であり、金属Ｔｉを１０５０℃で約１０時間熱拡散して形成した光導波路であり、マッハツェンダ干渉系（あるいは、マッハツェンダ光導波路）を構成している。なお、３ａ、３ｂは電気信号と光が相互作用する部（相互作用部と言う）における光導波路（あるいは、相互作用光導波路）、つまりマッハツェンダ光導波路の２本のアームであり、相互作用部における第１の光導波路、第２の光導波路と呼ぶ。
【０００４】
進行波電極４としては、１つの中心導体４ａと２つの接地導体４ｂ、４ｃを有するコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）を用いることを想定する。
【０００５】
光導波路を伝搬する光が中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃからなる進行波電極４を構成する金属（一般に、Ａｕを用いる）から受ける吸収損を抑えるためと、進行波電極４を伝搬する電気信号のマイクロ波等価屈折率（あるいは、進行波電極のマイクロ波等価屈折率）ｎｍを低減し第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂを伝搬する光の等価屈折率（あるいは、光導波路の等価屈折率）ｎｏに近づけるとともに、特性インピーダンスをなるべく５０Ωに近づけるために、進行波電極とｚ−カットＬＮ基板１との間には、通常、４００ｎｍ〜１μｍ程度の厚いＳｉＯ２バッファ層２を堆積する。
【０００６】
図９に進行波電極の中心導体４ａと接地導体４ｂ、４ｃ間に電界を印加した際における電気力線５の分布を示している。この図からわかるように、第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂを横切る電気力線５の向きは逆向きである。そのため、中心導体４ａの下にある第２の光導波路３ｂを伝搬する光の位相変化量をΔφ１、接地導体４ｂの下にある第１の光導波路３ａを伝搬する光の位相変化量をΔφ２とすると、Δφ１とΔφ２の符号は異なっている。マッハツェンダ光導波路では第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂを伝搬する光の位相差Δφｔ（＝｜Δφ１｜＋｜Δφ２｜）をπとすることにより、光のＯＦＦ状態を実現でき、光信号パルスを形成できる。
【０００７】
ところが、この第１従来例に示したｚ−カットＬＮ光変調器で形成した光信号パルスには数１０Ｋｍの長さの単一モード光ファイバー内を伝搬した際に、パルスの形が崩れる、いわゆるチャーピングという問題点がある。次にこれについて説明する。
【０００８】
図９からわかるように、中心導体４ａの幅は接地導体４ｂ、４ｃの幅より小さく、その幅はほぼ第２の光導波路３ｂの幅と同じで６μｍ〜１１μｍ程度である。従って中心導体４ａの下にある第２の光導波路３ｂを伝搬する光と電気力線５との相互作用の効率は高い。一方、接地導体４ｂ、４ｃは広いので中心導体４ａから出た電気力線５は接地導体４ｂ、４ｃに広く分布し、接地導体４ｂ側の第１の光導波路３ａと電気力線５との相互作用の効率は低い。近似的には｜Δφ１｜≒５｜Δφ２｜となる。そのため、この従来の実施例の光変調器を用いて形成した光パルスにはチャーピングが生じる。ちなみに、チャーピングの度合いを表すアルファパラメータ（あるいは、αパラメータ）は光信号パルスが有する位相φと振幅Ｅを用いて（１）式のように表現できる（非特許文献１）。
【０００９】
α＝[ｄφ／ｄｔ] ／[（１／Ｅ）（ｄＥ／ｄｔ）]                （１）
このように、αパラメータは、出力される光信号パルスが有する位相変化量と強度変化量を用いて表現できる。
【００１０】
さらに、具体的には、αパラメータは（１）式を発展させた（２）式で表現できる。
【００１１】
α＝（Γ１−Γ２）／（Γ１＋Γ２）                              （２）
Γ１：電気信号（振幅）と第１の光導波路３ａを伝搬する光（パワー）との１で規格化した重なり積分で示した効率
Γ２：電気信号（振幅）と第２の光導波路３ｂを伝搬する光（パワー）との１で規格化した重なり積分で示した効率
以上のように、図７に示した第１従来例において形成されたパルスにチャーピングが発生する原因は中心導体４ａ側の第２の光導波路３ｂと接地導体４ｂ側の第１の光導波路３ａに発生する位相変化量の絶対値が同じでないことに起因する。
【００１２】
［第２従来例］
図７に示した第１従来例における問題点を解決するために使用されている第２従来例のＬＮ光変調器を図１０に示す。なお、第１従来例と同じ構成要素をさす番号の説明を省略する。
【００１３】
図中、６ａ、６ｂは２つの中心導体、７ａ、７ｂ及び７ｃは接地導体である。この第２従来例ではいわば第１従来例に示したＣＰＷ電極が２つ使用されており、２電極型、あるいはプッシュプル型ＣＰＷ進行波電極と呼ばれている。８は電気力線である。この第２従来例においては、第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂは各々幅の等しい２つのＣＰＷ電極の中心導体６ａ、６ｂの直下にあるので、第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂを伝搬する光の位相変化量は絶対値が等しく符号が逆となり、原理的にゼロのチャーピングを実現できる。
【００１４】
ところが、前述のように、第１の光導波路３ａと第２の光導波路３ｂを伝搬する光の位相変化量は絶対値が等しく符号が逆でなければならないため、本実施例を動作するには、図１０に示した第２従来例の中心導体６ａ、６ｂには正確に正、負逆位相の電気信号を加える必要があり、極めて難しい問題を生じる。つまり、集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）の異なるポートから出る２つの逆位相の電気信号が、ＩＣを出た後に中心導体６ａ、６ｂに加わる際の位相を正確に正、負逆位相とすることは、ＩＣからの出力後、相互作用部までの電気的長さを完全に同じにするとともに、電気波形の立上り、立下りの形状まで同じにすることを意味しており、実際には技術的に大変苦労しているのが実状である。
【００１５】
［第３従来例］
図１０に示した第２従来例における問題点を解決するために提案されている第３従来例のＬＮ光変調器の上面図を図１１に、そのＢ−Ｂ’における断面図を図１２に示す（特許文献１）。なお、第１従来例と同じ構成要素をさす番号の説明を省略する。
【００１６】
図中、９はマッハツェンダ光導波路で、９ａ、９ｂはマッハツェンダ光導波路のアームを構成する２本の光導波路、つまり第１の光導波路、第２の光導波路である。１０ａ、１０ｂは中心導体、１１ａ、１１ｂ、及び１１ｃは接地導体である。ｚ−カットＬＮ基板１において、１ａと１ｂは各々分極を反転していない領域（分極非反転領域）と分極を反転した領域（分極反転領域）である。１２は電気力線である。
【００１７】
本従来例の動作原理について説明する。まずマッハツェンダ光導波路９に入射した光は、第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂを伝搬するように２分岐される。一方、中心導体１０も１０ａ、１０ｂに２分岐されているので、電気信号は図１２に示すように、第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂに同方向に印加される。
【００１８】
通常、ｚ−カット光変調器は光導波路を製作するための金属Ｔｉの拡散状態から基板表面として−ｚ面が使用される。従って、分極を反転していない領域１ａでは−ｚ面を、分極を反転した領域１ｂでは＋ｚ面を使用している。電気光学的には−ｚ面と＋ｚ面に電界を印加すると、生じる屈折率変化は絶対値が等しく符号が逆である。
【００１９】
この第３従来例では、ｚ−カットＬＮ基板１はマッハツェンダ光導波路の中心付近を境界として分極を反転しているので、図１２に示す同方向の電気力線１２によっても、第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂを伝搬する光の位相変化は符号が逆となる。従って第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂを伝搬する光の位相変化を絶対値が同じで符号が逆とすることにより、光信号のチャーピングをゼロとしようとするものである。
【００２０】
さて、本従来例の問題点について考察する。
【００２１】
一般に、ＬＮ光変調器は３インチから４インチの大きさのｚ−カットＬＮ基板に製作するが、各ＬＮ光変調器は１５μｍ〜３０μｍ程度のギャップを有する第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂを有している。図１１に示した従来の実施例の光変調器を製作する工程のうち、光導波路を実際に製作する工程について考える。
【００２２】
まず、マッハツェンダ光導波路９の第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂ間の中央を境界として分極を反転する。この分極を反転する工程には、ｚ−カットＬＮ基板１における所望の位置の上面と下面全面に電極をパターニングした後、高電界を印加して分極ドメインを反転させ、その後、上下に形成した電極をエッチングはく離する。次に、分極反転した境界が第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂ間の中央に合うようにマッハツェンダ光導波路用のフォトレジストパターンを形成するとともに、金属Ｔｉを蒸着・リフトオフする。最後に、形成された金属Ｔｉパターンを熱拡散し、マッハツェンダ光導波路９を形成する。
【００２３】
分極を反転していない領域１ａと分極を反転した領域１ｂでは基板の物性が異なるため、光導波路を形成するための金属Ｔｉがｚ−カットＬＮ基板へ拡散する状態も異なってくる。その結果、光のスポットサイズや伝搬損失について、分極を反転していない領域１ａと分極を反転した領域１ｂとでは異なる。
【００２４】
分極を反転していない領域１ａに形成した第１の光導波路９ａを伝搬する光のスポットサイズが分極を反転した領域１ｂに形成した第２の光導波路９ｂを伝搬する光のスポットサイズと異なるということは、中心導体１０ａ、１０ｂと接地導体１１ａ、１１ｂからなる進行波電極を伝搬する電気信号と第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂを伝搬する光の相互作用の効率（一般には、電気信号と光のパワーの重なり積分で表される）が第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂとで異なることになる。
【００２５】
第１従来例である図９において説明したように、第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂを伝搬する光の位相変化量の絶対値が異なると、ＬＮ変調器から出射された光がチャーピング特性を持つことになり、チャーピングを極めて小さくするという課題の充分な解決にはなってはいない。
【００２６】
また、分極を反転していない領域１ａと分極を反転した領域１ｂでは伝搬損失も異なるので、第１の光導波路９ａと第２の光導波路９ｂを伝搬する光のパワーに差が生じ、結果的にＯＦＦ時の消光比が劣化するという問題もあった。
【００２７】
さらに何よりも大きな問題点は、図１１からわかるように、本従来例では電気信号と光との相互作用部において中心導体１０を１０ａ、１０ｂに２分割する必要がある。ここで、１０ａ、１０ｂの部分において５０Ω系とすると分割前は２５Ω程度と低くなるし、分割部において５０Ω系とすると、分割後の１０ａ、１０ｂの部分においては１００Ω程度と高くなるというインピーダンス不整合という重大な問題を原理的に持っている。また、中心導体１０を１０ａ、１０ｂに２分割する分岐部は電気信号の流れ、つまり電流にとっても不連続形状であるために、電気的な反射が生じる。さらに、この分岐部の出来・不出来が反射特性（Ｓ１１特性）に大きく影響し、結果的にＬＮ光変調器の歩留まりに大きな影響があるという難しい問題を抱えていた。
【００２８】
［第４従来例］
図１３は特許文献２において提唱された第４従来例のＬＮ変調器の上面図である。
【００２９】
この第４従来例のＬＮ変調器においては、マッハツェンダ光導波路１３を構成する第１の光導波路１３ａと第２の光導波路１３ｂが分極を反転していない領域(分極非反転領域)１５ａから分極を反転している領域(分極反転領域）１５ｂを通過している。
【００３０】
図１３に示した第４従来例において特徴的なことは、中心導体１４ａや接地導体１４ｂ、１４ｃと第１の光導波路１３ａと第２の光導波路１３ｂの相対位置である。つまり、分極を反転していない領域１５ａにおいては、第２の光導波路１３ｂの上に中心導体１４ａがあり、第１の光導波路１３ａの上に接地導体１４ｂがある。ここで、１６ａの領域を分極が反転していない領域１５ａにおける相互作用部と呼ぶ。
【００３１】
一方、遷移領域１６ｃにおいては、中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃからなる進行波電極はＬＮ基板表面方向に位置的にシフトする。その結果、分極を反転している領域１５ｂにおいては、中心導体１４ａは第１の光導波路１３ａの上にあり、第２の光導波路１３ｂの上には接地導体１４ｃがある。ここで、１６ｂの領域を分極が反転している領域１５ｂにおける相互作用部と呼ぶ。
【００３２】
また、この第４従来例のＬＮ変調器においては、分極を反転していない領域１５ａにおける中心導体１４ａの長さと分極を反転している領域１５ｂにおける中心導体１４ａの長さをＬ／２と等しくしている。つまり、第１の光導波路１３ａと第２の光導波路１３ｂを伝搬する各々の光が分極を反転していない領域１５ａと分極を反転している領域１５ｂを伝搬する距離を等しくすることにより、光変調器から出射される光のチャーピングをゼロにしようとする試みである。
【００３３】
ところが、この第４従来例は遷移領域１６ｃが存在するために生じる製作ノウハウの高度化と電気信号特性（あるいはマイクロ波特性）の劣化という２つの大きな問題点を持っている。つまり、分極が反転していない領域１５ａにおける相互作用部１６ａと、分極が反転している領域１５ｂにおける相互作用部１６ｂにおいては、中心導体１４ａの幅は６〜１１μｍ程度と細く、また中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃの間のギャップは１５μｍ程度と狭い。さらに、中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃの厚みは２０μｍから３０μｍと厚い。
【００３４】
この厚い進行波電極を形成するにはこの電極よりも厚いレジストを塗布後、電極パターンを形成した後、メッキを行う。このように、アスペクト比（中心導体１４ａの高さと幅の比として定義され、この場合は２から５になる）が大きく、かつ、中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃの間のギャップが小さな電極を製作するには高度の技術を必要とするが、さらに遷移領域ではこれらが位置的にシフトしているので、厚膜レジストの露光と現像の工程を含むパターン形成が難しくなる。その結果、進行波電極を製作する際の歩留まりが低下する。
【００３５】
また遷移領域１６ｃは電気信号にとっては不連続部である。中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃを電気信号であるマイクロ波が伝搬するということは、高周波電流が流れることであるから、細い中心導体１４ａに形成された不連続部である遷移領域１６ｃにおいて電気的な反射が生じ易い。
【００３６】
実際に製作したＬＮ光変調器について、中心導体１４ａと接地導体１４ｂ、１４ｃからなる進行波電極を伝搬する電気信号の透過特性であるＳ２１を測定した結果を図１４に示す。図中、一点鎖線で示したＩは光変調器を挿入しないスルーの場合に対応し、これを規準レベルとする。破線により示したＩＩは進行波電極の出来（形成状態）があまり良くなかった場合、点線により示したＩＩＩは進行波電極の出来が比較的良かった場合に対応している。
【００３７】
図からわかるように、進行波電極の出来があまり良くない場合であるＩＩでは、大きな電気的な反射のために、マイクロ波のＳ２１に大きなディップが生じている。なお、進行波電極の出来が比較的良かった場合でさえも、Ｓ２１に若干のうねりが観測されるとともに、マイクロ波伝搬損失（Ｓ２１の周波数に対する傾斜）がやや大きいと言わざるを得ない。また、同様に反射特性を表わすＳ１１にも劣化が生じることは言うまでもない。
【００３８】
このように、Ｓ２１が劣化するということは第１の光導波路１３ａと第２の光導波路１３ｂに有効に電気信号が印加されないことを意味しており、最終的に広い光変調帯域を実現できないことになる。よく知られているように、電気信号と光の速度が整合されている場合には、電気信号の６ｄＢ劣化の帯域が３ｄＢダウンの光変調帯域となる。従って、遷移領域１６ｃという不連続部のためにＳ２１が劣化すると、光変調帯域が著しく狭くなり、光伝送システムに適用可能な光信号パルスを生成することが難しくなる。更に、４０Ｇｂｉｔ/ｓのような高速伝送方式では、遷移領域１６ｃにおける電気的反射や電気信号の伝搬損失の増加が著しくなる。
【００３９】
なお、第４従来例においては第１の光導波路１３ａと第２の光導波路１３ｂを伝搬する各々の光が分極を反転していない領域１５ａと分極を反転している領域１５ｂを伝搬する距離を等しくすることにより、光変調器から出射される光信号パルスについてチャーピングゼロを実現しようとしている。
【００４０】
しかしながら、一般に、電気信号の周波数が高くなると金属が持つ導体損失のために、１４ａ、１４ｂ、１４ｃからなる進行波電極を伝搬する電気信号は伝搬とともに弱くなる。そのため、この電気信号の伝搬損失のために、分極を反転していない領域１５ａと分極を反転している領域１５ｂの長さをＬ／２と等しくても、分極を反転している領域１５ｂにおいて進行波電極を伝搬する電気信号の強度は分極を反転していない領域１５ａよりも弱い。その結果、周波数が高くなると、第１の光導波路１３ａと第２の光導波路１３ｂを伝搬する光の位相差の絶対値は異なってしまい、光変調器から出射された光信号パルスはチャーピングを持つことになる。
【特許文献１】特開２００３−２０２５３０号公報
【特許文献２】特開２００２−３５０７９６号公報
【非特許文献１】Fumio Koyama et al “Frequency Chirping in External Modulators” IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 6, pp. 87-93, Jan． 1988．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
以上のように、ＬＮ基板に対して分極反転を用いる従来例としては、中心導体を２分割しマッハツェンダ光導波路を構成する２本のアーム（光導波路）の上方に位置させる構成と、中心導体と接地導体をＬＮ基板の表面方向にシフトさせることにより、中心導体及び接地導体と第１の光導波路及び第２の光導波路の相対位置を入れ替える構成がある。前者の場合には、中心導体を２分割する箇所においてインピーダンスの不整合があり、さらにこの分岐部は電気信号である電流にとっては不連続な形状であるために、電気的な反射が生じる。また、後者の場合には、中心導体及び接地導体とマッハツェンダ光導波路のアームを構成する２本の光導波路との相対位置を入れ替えるための遷移領域が必要となる。この遷移領域でアスペクト比の大きな中心導体が位置的にシフトしているので、製作が難しくなる。さらに、遷移領域は電気信号にとっては不連続部であるために、電気信号が反射されＳ２１にディップが生じ易い、あるいはマイクロ波伝搬損失が大きくなるなど、マイクロ波特性が劣化し、その結果、光変調帯域が狭くなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光変調器は、電気光学効果を有する材料からなるとともに、分極を反転しない領域と分極を反転する領域を有する基板と、前記基板の一面側に形成され、入射した光を分岐するための分岐光導波路と、分岐された前記光を伝搬するための第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を伝搬する前記光を合波するための合波光導波路を備えた光導波路を具備し、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を伝搬する光と、中心導体及び接地導体からなる進行波電極を伝搬する電気信号が相互作用する相互作用部が、互いに異なる方向に分極した第１の相互作用部と第２の相互作用部を含み、前記中心導体は前記第１の相互作用部と前記第２の相互作用部で前記第１の光導波路もしくは前記第２の光導波路に対向し、前記第１の相互作用部及び前記第２の相互作用部で前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を伝搬する前記光の位相を変調して光信号パルスを生成する光変調器において、前記第１の相互作用部と前記第２の相互作用部の間に光導波路シフト部を設けることにより、前記第１の相互作用部及び前記第２の相互作用部で前記第１の光導波路同士の光軸を異ならしめるとともに、前記第１の相互作用部及び前記第２の相互作用部で前記第２の光導波路同士の光軸を異ならしめ、前記第１の相互作用部と前記第２の相互作用部にて、前記中心導体及び前記接地導体と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の相対位置が入れ替わっていることを特徴とする。
【００４３】
本発明の請求項２の光変調器は、前記第１の相互作用部の長さと前記第２の相互作用部の長さがほぼ等しいことを特徴とする。
【００４４】
本発明の請求項３の光変調器は、前記第１の相互作用部の長さが前記第２の相互作用部の長さよりも短いことを特徴とする。
【００４５】
本発明の請求項４の光変調器は、前記相互作用部における前記分極を反転しない領域及び前記分極を反転した領域の少なくとも一方が複数個あり、該それぞれの領域の境界に前記光導波路シフト部を設けたことを特徴とする。
【００４６】
本発明の請求項５の光変調器は、前記相互作用部における前記分極を反転しない領域及び前記分極を反転した領域の数の和が奇数個であることを特徴とする。
【００４７】
本発明の請求項６の光変調器は、前記相互作用部における前記分極を反転しない領域及び前記分極を反転した領域の各々の長さの和が互いにほぼ等しいことを特徴とする。
【００４８】
本発明の請求項７の光変調器は、前記基板が前記分極を反転しない領域及び前記分極を反転した領域のどちらか一方である場合よりも、前記光信号パルスのチャーピングが小さくなることを特徴とする。
【００４９】
本発明の請求項８の光変調器は、前記相互作用部における前記中心導体がほぼ直線であることを特徴とする。
【００５０】
本発明の請求項９の光変調器は、前記光導波路シフト部にて、前記中心導体の一部が前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の一方と略平行に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００５１】
本発明においては、進行波電極において高度な製作技術が必要となる相互作用部をほぼまっすぐにすることにより、マイクロ波である電気信号の特性の劣化を極力抑えることができる。また、光導波路を位置的にシフトさせることにより、中心導体及び接地導体と２本の光導波路との相対位置を電気信号と光との複数の相互作用部において逆転させている。つまり、本発明を適用すれば、電気信号の劣化を抑えることにより広い光変調帯域を実現するとともに、進行波電極に対し２本の光導波路の相対位置を入れ替えることができ、光信号パルスのチャーピングを極力抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
[第１実施形態]
図１に本発明の第１実施形態の上面図を示す。また、図２には図１におけるＣ−Ｃ’の断面を示す。なお、本実施形態ではｚ−カットＬＮ基板を想定しているので、図７の第１従来例に示したようにＳｉＯ２などからなるバッファ層が必要であるが、ここでは説明の簡単のために、ＳｉＯ２バッファ層を省いている。また、図２ではＳｉＯ２バッファ層の他、進行波電極や光導波路を省略し、ｚ−カットＬＮ基板についてのみ示している。
【００５３】
図中、１７ａはｚ−カットＬＮ基板の分極を反転していない領域（分極非反転領域）、１７ｂはｚ−カットＬＮ基板の分極を反転した領域（分極反転領域）である。１８はマッハツェンダ光導波路、１８ａ、１８ｂはマッハツェンダ光導波路を構成する２本のアームであり、各々、第１の光導波路、第２の光導波路、あるいは簡単に、光導波路と呼ぶ。マッハツェンダ光導波路１８は、更に、マッハツェンダ光導波路１８に入射された光を、第１の光導波路１８ａ及び第２の光導波路１８ｂに分岐するための分岐光導波路と、第１の光導波路１８ａ及び第２の光導波路１８ｂを伝搬する光を合波するための合波光導波路とを備えている。１９ａはＣＰＷ進行波電極の中心導体、１９ｂと１９ｃはＣＰＷ進行波電極の接地導体である。
【００５４】
図１に示した本発明の第１実施形態において特徴的なことは、充分に広い光変調帯域を実現するために、光変調帯域を決定する電気信号の特性を最大限に生かす構造としていることである。つまり、光変調特性を決める相互作用部において、幅やギャップなど寸法が小さい中心導体１９ａと接地導体１９ｂ、１９ｃに不連続部が生じないようにほぼまっすぐとし、その代わりに第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂをシフトさせている。ここで、２０ａは分極を反転していない領域１７ａにおける電気信号と光との相互作用部であり、第１の相互作用部と呼ぶ。２０ｂは分極を反転した領域１７ｂにおける電気信号と光との相互作用部であり、第２の相互作用部と呼ぶ。２０ｃは第１の相互作用部２０ａと第２の相互作用部２０ｂの間に設けた光導波路シフト部である。
【００５５】
図１からわかるように、分極が反転していない第１の相互作用部２０ａにおいては、第２の光導波路１８ｂの上に中心導体１９ａがあり、第１の光導波路１８ａの上に接地導体１９ｂがある。すなわち、中心導体１９ａは、第２の光導波路１８ｂに対向している。一方、分極が反転した第２の相互作用部２０ｂにおいては、第１の光導波路１８ａの上に中心導体１９ａがあり、第２の光導波路１８ｂの上に接地導体１９ｃがある。すなわち、中心導体１９ａは、第１の光導波路１８ａに対向している。つまり、本実施形態では、ｚ−カットＬＮ基板の表面方向に第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂを第１の相互作用部２０ａと第２の相互作用部２０ｂの間で位置的にシフトさせることにより、中心導体１９ａ及び接地導体１９ｂ、１９ｃと、第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂとの相対位置を入れ替えており、ＬＮ光変調器により生成する光信号パルスのチャーピングを極めて小さくすることが可能である。
【００５６】
本実施形態では、進行波電極をまっすぐとしているので、幅が６〜１１μｍ程度と狭い中心導体１９ａと、中心導体１９ａから１５μｍ程度のギャップを介して形成した接地導体１９ｂ、１９ｃには光と電気信号が相互作用する領域において電気的な不連続部はなく、遷移領域１６ｃという進行波電極の不連続部を有する第４従来例と比較してその製作の歩留まりが格段に向上する。また、電気信号と光との相互作用部２０ａ、２０ｂに電気的な不連続部がないので、電気信号の透過特性であるＳ２１について不連続部に起因した伝搬損失や電気的反射の増加がない。
【００５７】
本発明の効果を示すために、実際に製作した本実施形態の光変調器と図１４に示した第４従来例の電気的透過特性Ｓ２１を図３に重ねて示す。ここで、実線ＩＶが本実施形態の特性である。なお、図中のＩ、ＩＩ、ＩＩＩは図１４中のＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、即ち、Ｉはスルーを表す規準レベル、ＩＩは図１４に示した第４従来例において遷移領域１６ｃの出来があまり良くなかった場合、ＩＩＩは遷移領域１６ｃの出来が比較的良かった場合に各々対応している。図からわかるように、進行波電極に不連続部を有する第４従来例と比較すると、本実施形態におけるＳ２１は周波数に対するうねりも少なく、その特性は第４従来例の出来が良い場合よりも改善されていることがわかる。
【００５８】
ここで、本発明の実施形態が優れた特性を持つ理由について考える。前述のように、電気信号、すなわちマイクロ波が伝搬する際には電流が細い中心導体を流れており、かつ図１４に示した第４従来例の不連続部である遷移領域１６ｃを流れる際に電流は電極から染み出すことはできない。つまり、電気信号であるマイクロ波は反射され易く、不連続部の影響を受けがちと言える。一方、光は光導波路の不連続部の形状が緩やかであれば、光導波路から若干染み出しても、元の光導波路に戻ることができるので、ほとんど損失なしに伝搬することが知られている。つまり、光が第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂを伝搬する場合、第１の相互作用部２０ａから第２の相互作用部２０ｂに第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂがシフトする光導波路シフト部２０ｃにおいて、ある程度の大きさの曲率半径を持つ曲げ光導波路を使用することにより、ほぼ損失無しに第１の相互作用部２０ａから第２の相互作用部２０ｂに移行することができる。このように本発明では、不連続部におけるマイクロ波と光の振る舞いの違いを利用している。さらに、光変調器では電極の透過特性Ｓ２１が劣化すると直ちに光変調特性が劣化するが、光については例え損失があっても、光の挿入損失が増えるだけで、光変調器として最も重要な特性である光変調帯域には何ら影響がないという特徴を用いている。
【００５９】
なお、光導波路シフト部２０ｃの長さは数１００μｍから１ｍｍ程度あれば充分である。光導波路シフト部２０ｃでは第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂを伝搬する光の位相を変化させることはできないが、通常、電気信号と光の相互作用長の総和（ここでは、第１の相互作用部２０ａの長さと第２の相互作用部２０ｂの長さの和）は３０ｍｍから５０ｍｍ程度あるので光導波路シフト部２０ｃが駆動電圧に与える影響は極めて小さい。
【００６０】
なお、図１においてはマイクロ波の出力ポートは第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂをはさんでマイクロ波の入力ポートと反対側に有るが、図７に示した第１従来例と同様にマイクロ波の出力ポートはマイクロ波の入力ポートと同じ側にあっても良いことは言うまでもない。また、図１における分極に関しては、第２の相互作用部２０ｂを含むｚ−カットＬＮ基板の半分の領域についてその全体の分極を反転しているが、第２の相互作用部２０ｂとその近傍のみの分極を反転しても良い。さらに、図２ではｚ−カットＬＮ基板の表面から裏面まで分極を反転しているが、ｚ−カットＬＮ基板のマッハツェンダ光導波路１８が形成されている表面のみの分極を反転しても良い。なお、これらのことは本発明の他の実施形態についても成り立つ。
【００６１】
本実施形態の最もシンプルな構造は、第１の相互作用部２０ａの長さＬ１と第２の相互作用部２０ｂの長さＬ２をほぼ等しくした場合である。この場合においても、第２の相互作用部２０ｂを設けることにより、図７に示した第１従来例と比較して生成される光信号パルスのチャーピングを大幅に小さくすることが可能となる。
【００６２】
さて、一般に、電気信号の周波数が高くなると金属が持つ導体損失のために、中心導体１９ａ、接地導体１９ｂ、１９ｃからなる進行波電極を伝搬する電気信号は伝搬とともに弱くなる。この電気信号の伝搬損失のために、第２の相互作用部２０ｂにおいて進行波電極を伝搬する電気信号の強度は第１の相互作用部２０ａでの値より弱い。その結果、第１の相互作用部２０ａの長さＬ１と第２の相互作用部２０ｂの長さＬ２がＬ／２に等しい場合、電気信号の周波数が高くなると、第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂを伝搬する光の位相差の絶対値は、第１の相互作用部２０ａと第２の相互作用部２０ｂにおいて異なってしまう。
【００６３】
従って、チャーピングを極力小さくするための第１の考え方としては、分極が反転していない第１の相互作用部２０ａの長さＬ１を分極が反転している第２の相互作用部２０ｂの長さＬ２よりも短く（Ｌ１＜Ｌ２）することにより、光変調器により生成される光信号パルスのチャーピングを小さくすることがあげられる。
【００６４】
次に、チャーピングを極力小さくするための第２の考え方としては、分極を反転していない第１の相互作用部２０ａの長さＬ１と、分極を反転した第２の相互作用部２０ｂの長さＬ２を適切に設定することにより、ＤＣ付近の低周波領域と高周波領域においてチャーピング量を表すαパラメータの符号が入れ替わり、所定の周波数においてαパラメータをゼロとすることがあげられる。ここで、光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることが重要であるので、αパラメータが常に正、あるいは常に負で、ある周波数でのみゼロとなる場合は光信号パルスのチャーピングを充分小さくすることは難しい。
【００６５】
また、チャーピングを極力小さくするための第３の考え方としては、チャーピング量を表すαパラメータについて、周波数を変数としてＤＣ付近から光信号パルスが含んでいる所定の最大周波数まで積分し、その積分値がほぼゼロとなるようにすることによって、よりチャーピングを抑えることがあげられる。このことは、分極を反転していない領域における第１の相互作用部２０ａの長さＬ１と、分極を反転した第２の相互作用部２０ｂの長さＬ２を適切に設定することにより実現できる。
【００６６】
チャーピングを抑えるためのこれらの３つの考え方は、中心導体と接地導体に対する光導波路の相互位置を入れ替えた回数が１回である本発明の第１実施形態のみでなく、その回数を複数回としたその他の実施形態を含め、本発明のあらゆる実施形態に適用可能である。
【００６７】
以上の説明においては、相互作用部において進行波電極はまっすぐとし、光導波路のみ光導波路シフト部２０ｃにおいて位置的にずらしている。しかしながら、第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂをシフトするとともに、マイクロ波の透過特性（Ｓ２１）や反射特性（Ｓ１１）の観点から実用上問題がない程度に進行波電極をシフトすることも本発明の範疇に入る。なお、その構造は第３実施形態として後述する。
【００６８】
チャーピングを極力抑えるためには、分極を反転していない領域と分極を反転した領域において、中心導体及び接地導体と光導波路との相対位置を入れ替える必要があるが、光導波路をシフトさせるという本発明の基本的な考えを用いることにより、チャーピングを極力抑えるために必要な進行波電極のシフト量を小さくすることができる。従って、光導波路を位置的にシフトさせることにより、第４従来例のように進行波電極をシフトさせる場合においてもマイクロ波特性の劣化を抑え、広い光変調帯域を実現することが可能となる。このことは本発明の全ての実施形態について成り立つ。
【００６９】
[第２実施形態]
図４に本発明の第２実施形態の上面図を示す。また、図５には図４におけるＤ−Ｄ’の断面を示す。なお、説明の簡単のために、図４では図７には図示しているＳｉＯ２バッファ層を省いている。また、図５ではＳｉＯ２バッファ層の他、進行波電極や光導波路を省略し、ｚ−カットＬＮ基板についてのみ示している。
【００７０】
図中、２１ａと２１ｃはｚ−カットＬＮ基板の分極を反転していない領域（分極非反転領域）、２１ｂはｚ−カットＬＮ基板の分極を反転した領域（分極反転領域）である。２２はマッハツェンダ光導波路、２２ａ、２２ｂはマッハツェンダ光導波路を構成する２本のアーム（第１の光導波路と第２の光導波路）である。１９ａはＣＰＷ進行波電極の中心導体、１９ｂと１９ｃはＣＰＷ進行波電極の接地導体であることは図１に示した本発明の第１実施形態と同じである。
【００７１】
図４に示した本発明の第２実施形態においても、幅やギャップなど寸法が小さい中心導体１９ａと接地導体１９ｂ、１９ｃに不連続部が生じないようにほぼまっすぐとし、その代わりに第１の光導波路２２ａと第２の光導波路２２ｂを位置的に２回シフトさせている。ここで、２３ａは分極を反転していない領域２１ａにおける電気信号と光との相互作用部であり、第１の相互作用部と呼ぶ。２３ｂは分極を反転した領域２１ｂにおける電気信号と光との相互作用部であり、第２の相互作用部と呼ぶ。２３ｃは分極を反転していない領域２１ｃにおける電気信号と光との相互作用部であり、第３の相互作用部と呼ぶ。２３ｄは第１の相互作用部２３ａと第２の相互作用部２３ｂの間に設けた光導波路シフト部、２３ｅは第２の相互作用部２３ｂと第３の相互作用部２３ｃの間に設けた光導波路シフト部である。
【００７２】
このように、光導波路をシフトさせるという本発明を適用することにより、進行波電極に不連続部である遷移領域を作ることがないので、電気信号、すなわちマイクロ波の伝搬損失の増加や反射を極力抑えることができる。また、中心導体１９ａ、及び接地導体１９ｂ、１９ｃと第１の光導波路２２ａと第２の光導波路２２ｂの相対位置を各相互作用部において入れ替えることができるので、前述のように広い光変調帯域を確保しつつ光変調器により生成された光信号パルスのチャーピングを極めて小さくすることが可能となる。
【００７３】
前述のように、電気信号の周波数が高くなると金属が持つ導体損失が増加する。従って、第１の光導波路２２ａと第２の光導波路２２ｂに作用する電気信号の電界の強度は、第１の相互作用部２３ａにおいて最も強く、第３の相互作用部２３ｃで最も弱く、また第２の相互作用部２３ｂでは第１の相互作用部と第３の相互作用部の中間となる。
【００７４】
従って、チャーピングを小さくするためのＬ１、Ｌ２、Ｌ３の決定の仕方については、Ｌ１＝Ｌ３＝Ｌ２／２としても効果があるが、さらに改善するには図１の第１実施形態と同様の考え方を適用できる。
【００７５】
つまり、分極を反転していない領域における第１の相互作用部２３ａの長さＬ１と、分極を反転した領域における第２の相互作用部２３ｂの長さＬ２と、分極を反転していない領域における第３の相互作用部２３ｃの長さＬ３とを適切に設定することにより、ＤＣ付近の低周波領域と高周波領域においてチャーピング量を表すαパラメータの符号が入れ替わり、所定の周波数においてαパラメータをゼロとすることができる。
【００７６】
ここで、光信号パルスとして必要な所定の周波数帯域内においてαパラメータを平均的にゼロとすることが重要であるので、αパラメータが常に正、あるいは常に負で、ある周波数でのみゼロとなる場合は光信号パルスのチャーピングを充分小さくすることは難しい。
【００７７】
また、他の考え方としては、チャーピング量を表すαパラメータについて、周波数を変数としてＤＣ付近から光信号パルスが含んでいる所定の最大周波数まで積分し、その積分値がほぼゼロとなるようにすれば、よりチャーピングを抑えることが可能となる。このことは、分極を反転していない領域（分極非反転領域）における相互作用部２３ａの長さＬ１と、分極を反転した領域（分極反転領域）における相互作用部２３ｂの長さＬ２と、分極を反転していない領域（分極非反転領域）における相互作用部２３ｃの長さＬ３とを適切に設定することにより実現できる。
【００７８】
[第３実施形態]
図６に本発明の第３実施形態の上面図を示す。また、図６におけるＥ−Ｅ’の断面は図２と同じとなる。なお、本実施形態ではｚ−カットＬＮ基板を想定しているので、図７の第１従来例に示したようにＳｉＯ２などからなるバッファ層が必要であるが、ここでは説明の簡単のために、ＳｉＯ２バッファ層を省いている。
【００７９】
先に述べたように、図１に示した本発明の第１実施形態では相互作用部において進行波電極はまっすぐとし、光導波路のみ光導波路シフト部２０ｃにおいて位置的にずらしている。しかしながら、この第３実施形態においては、第１の光導波路１８ａと第２の光導波路１８ｂをシフトするとともに、電極の製作性とマイクロ波の透過特性（Ｓ２１）や反射特性（Ｓ１１）の観点から実用上問題がない程度に中心導体２４ａ、接地導体２４ｂ、２４ｃからなる進行波電極をシフトさせている。こうすることにより、光導波路シフト部２５ｃの一部においても光変調を行うことができるので、事実上、第１の相互作用部２５ａの長さＬ１と第２の相互作用部２５ｂの長さＬ２をより長くすることが可能となる。従って、進行波電極がまっすぐな本発明の第１実施形態と比較してより効率の良い光変調を実現できることになる。
【００８０】
なお、以上の説明においては、各相互作用部での中心導体の幅や中心導体と接地導体の間のギャップは一定としたが、これらを各領域において異ならしめても良い。
【００８１】
分岐光導波路の例としてマッハツェンダ光導波路を用いたが、方向性結合器などその他の分岐合波型の光導波路にも本発明を適用可能であることは言うまでもないし、考え方は３本以上の光導波路にも適用可能である。また光導波路の形成法としてはＴｉ熱拡散法の他に、プロトン交換法など光導波路の各種形成法を適用できるし、バッファ層としてＳｉＯ２以外の各種材料も適用できる。
【００８２】
電極構成としてはＣＰＷ電極を用いた構成について説明したが、非対称コプレーナストリップ（ＡＣＰＳ）あるいは対称コプレーナストリップ（ＣＰＳ）など、その他の構成でも良い。また、相互作用部におけるｚ−カットＬＮ基板の分極を反転した領域は１箇所として説明したがそれ以上とし、分極を反転しない領域と分極を反転させた領域を交互に組み合わせた構造でも良いことは言うまでもない。
【００８３】
さらに、従来使用されている進行波電極を厚くする、あるいはバッファ層を厚くするなど電気信号と光の速度差を小さくする手法はそのまま本発明にも適用可能である。また電気信号の出力側を４０Ωや５０Ωなどの終端器で終端しても良いことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上のように、本発明にかかる光変調器は、第１の相互作用部と第２の相互作用部において、中心導体及び接地導体と、第１の光導波路と第２の光導波路の相対位置が入れ替わるよう光導波路シフト部を設けることによって、高度な製作技術が必要となる進行波電極を大きく変形して製作する必要がない。従って、マイクロ波である電気信号の特性の劣化を極力抑えることができるという効果を有し、光信号パルスのチャーピングを極力抑えることが可能な光変調器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光変調器の上面図
【図２】図１のＣ−Ｃ’における断面図
【図３】本発明の効果を説明する図
【図４】本発明の第２実施形態に係る光変調器の上面図
【図５】図４のＤ−Ｄ’における断面図
【図６】本発明の第３実施形態に係る光変調器の上面図
【図７】第１従来例
【図８】図７のＡ−Ａ’における断面図
【図９】第１従来例における望ましい電気力線の分布
【図１０】第２従来例
【図１１】第３従来例の上面図
【図１２】図１１のＢ−Ｂ’における断面図
【図１３】第４従来例
【図１４】第４従来例の問題点を説明する図
【符号の説明】
【００８６】
１：ｚ−カットＬＮ基板
２：ＳｉＯ２バッファ層
３、９、１３、１８、２２：マッハツェンダ光導波路
３ａ、９ａ、１３ａ、１８ａ、２２ａ：第１の光導波路
３ｂ、９ｂ、１３ｂ、１８ｂ、２２ｂ：第２の光導波路
４：進行波電極
４ａ、６ａ、６ｂ、１０、１０ａ、１０ｂ、１４ａ、１９ａ、２４ａ：中心導体
４ｂ、４ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃ、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１４ｂ、１４ｃ、１９ｂ、１９ｃ、２４ｂ、２４ｃ：接地導体
５、８、１２：電気力線
１ａ、１５ａ、１７ａ、２１ａ、２１ｃ：分極非反転領域
１ｂ、１５ｂ、１７ｂ、２１ｂ：分極反転領域
１６ａ、２０ａ、２３ａ、２５ａ：分極非反転領域における相互作用部（第１の相互作用部）
１６ｂ、２０ｂ、２３ｂ、２５ｂ：分極反転領域における相互作用部（第２の相互作用部）
１６ｃ：遷移領域
２０ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２５ｃ：光導波路シフト部
２３ｃ：分極非反転領域における相互作用部（第３の相互作用部）
【図１】
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【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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