(57)【要約】【課題】比較的大きな強度の伝搬光を特性劣化無く安定して受光可能なｐｉｎ型受光素子を含む光導波路型受光素子構造を提供する。【解決手段】本発明の光導波路型受光素子構造は、基板上に第１クラッド層２７を介して設けられた第１導電型の半導体層２１と、第１導電型の半導体層上に離間して設けられた第１及び第２のノンドープな半導体層２９、３０と、第１のノンドープな半導体層上に設けられた第１の第２導電型の半導体層３７と、第２のノンドープな半導体層上に設けられた第２の第２導電型の半導体層３７と、第１及び第２の第２導電型の半導体層に接続する第１電極層２４と、第１及び第２のノンドープな半導体層及び第１電極層の外側において第１導電型の半導体層に接続する２つの第２電極層２３、２５と、第１導電型の半導体層上の第１及び第２のノンドープな半導体層の間、及び第１電極層と２つの第２電極層の間に設けられた第２クラッド層３１とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１クラッド層を介して設けられた第１導電型の半導体層と、
前記第１導電型の半導体層上に離間して設けられた第１及び第２のノンドープな半導体層と、
前記第１のノンドープな半導体層上に設けられた第１の第２導電型の半導体層と、
前記第２のノンドープな半導体層上に設けられた第２の第２導電型の半導体層と、
前記第１及び第２の第２導電型の半導体層に接続する第１電極層と、
前記第１及び第２のノンドープな半導体層及び前記第１電極層の外側において前記第１導電型の半導体層に接続する２つの第２電極層と、
前記第１導電型の半導体層上の前記第１及び第２のノンドープな半導体層の間、及び前記第１電極層と前記２つの第２電極層の間に設けられた第２クラッド層とを備え、
前記第１導電型の半導体層と、前記第１のノンドープな半導体層と、前記第１の第２導電型の半導体層とからなる第１の受光素子と、前記第１導電型の半導体層と、前記第２のノンドープな半導体層と、前記第２の第２導電型の半導体層とからなる第２の受光素子は、当該２つの受光素子の間の前記第１導電型の半導体層を伝搬する光を受光する、光導波路型受光素子構造。
【請求項２】
前記第１導電型の半導体層は光の伝搬方向に沿った横長な平板構造を有し、前記第１のノンドープな半導体層と前記第２のノンドープな半導体層は、前記横長な平板構造の一方の端部から他方の端部まで所定間隔を空けて平行に伸びる直方体構造を有する、請求項１に記載の光導波路型受光素子構造。
【請求項３】
前記２つの受光素子の間の前記第１導電型の半導体層は、主に光が伝搬する中央の凸部と、その両側の凹部を有する、請求項１または２に記載の光導波路型受光素子構造。
【請求項４】
前記２つの受光素子の間の前記第１導電型の半導体層の前記横長な平板構造の一方の端部は、外部からの光が伝搬する光導波路に接続する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路型受光素子構造。
【請求項５】
前記第１のノンドープな半導体層と前記第２のノンドープな半導体層の前記所定間隔は３〜８μｍの範囲にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路型受光素子構造。
【請求項６】
前記２つの受光素子の間の前記第１導電型の半導体層の前記凹部は、０.５〜１.５μｍの幅と、５〜３０ｎｍの深さを有する、請求項３に記載の光導波路型受光素子構造。
【請求項７】
前記基板はＳｉ基板またはＳＯＩ基板からなり、前記第１導電型の半導体層はｐ型またはｎ型のＳｉ層からなり、前記第１及び第２のノンドープな半導体層は真性Ｇｅ層からなり、前記第１及び第２の第２導電型の半導体層はｎ型またはｐ型のＳｉ層／Ｇｅ層からなり、前記第１及び第２のクラッド層はＳｉＯ2からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光導波路型受光素子構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路型受光素子構造に関し、より具体的には、比較的大きな強度の伝搬光を受光可能なｐｉｎ型受光素子を含む光導波路型受光素子構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ基板やＳＯＩ基板上に様々な光デバイスを集積可能なＳｉフォトニクス技術は、機能性の高い集積光回路を安価に提供することができる。Ｓｉフォトニクスでは受光デバイスとして、Ｓｉ導波路上にモノリシック集積されたＧｅフォトダイオードを用いるのが一般的である。従来の典型的なＧｅフォトダイオードの構造は、Ｓｉ光導波路に接続されたＳｉスラブ上にＧｅ層を形成し、これを上下方向のｐｉｎ構造としたものである。その電極配置は通常は高速性に優れるＧＳＧ型となっている(非特許文献１)。
【０００３】
図１に従来のＧＳＧ型の電極配置を有するｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードの構成例を示す。図１の(ａ)は、(ｂ)のＢ−Ｂ´断面での平面図(断面図)であり、(ｂ)は、(ａ)のＡ−Ａ´断面での断面図である。下側クラッド層７上のｐ型(ｐ+)Ｓｉスラブ２は平板状の構造を有し、光導波路１に接続する中央の光伝搬部(導波路部)１８の上にノンドープなＧｅ層８が光の伝搬方向に沿って横長に形成される。Ｇｅ層８の上にはｎ型(ｎ+)のＳｉ層またはＧｅ層、あるいはその両方(以下、Ｓｉ／Ｇｅ層)９が形成され、さらにその上にはＳ電極４が形成される。Ｇｅ層８の両側に２つのＧ電極３、５が形成される。Ｓｉスラブ２上にはさらに上側クラッド層１０が形成される。なお(ａ)では、光導波路１は、上側クラッド層１０に接続しているように見えるが、実際はその下側のＳｉスラブ２に接続している。Ｓｉスラブ２の光の伝搬経路１８のｐ型Ｓｉ層とその上のＧｅ層８とｎ型Ｓｉ／Ｇｅ層９がｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードを構成している。
【０００４】
図１に示すような従来のＧｅフォトダイオードでは、光の吸収層であるＧｅ層８が直接に光の伝搬経路１８に接しているため、入力光はＧｅ層８の光入力側の極狭い領域で全て吸収される。このような、小さな吸収領域しか持たないフォトダイオードでは、大強度光入力時のフォトキャリア密度が非常に大きくなり、空間電荷効果により周波数特性やリニアリティが劣化することが知られている(非特許文献２)。さらに大強度光を入力すると発熱によりデバイスが破壊される。このような空間電荷効果による特性劣化や発熱による破損は、大強度光入力と周波数特性、リニアリティの両立が求められる、コヒーレント受信や光ファイバ無線(ＲｏＦ)応用では大きな問題となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T. Hiraki, et.al., “Si-Ge-Silica monolithic integration platform and its application to a 22-Gb/s 16-ch WDM receiver”, IEEE Photonics Journal, vol. 5, no. 4, 4500407, (2013).
【非特許文献２】K. J. Williams, et.al., “Effects of high space-charge fields on the response of microwave photodetectors”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 6, no. 5, p. 639-p.641, (1994).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の従来技術の問題に鑑みなされたものであり、比較的大きな強度の光入力(伝搬光)を特性劣化無く安定して受光可能なｐｉｎ型受光素子を含む光導波路型受光素子構造を提供することを目的とする。なお、本発明が想定する大強度な光入力には、例えば１００ｍＷ程度の強度の光が含まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光導波路型受光素子構造は、基板上に第１クラッド層を介して設けられた第１導電型の半導体層と、第１導電型の半導体層上に離間して設けられた第１及び第２のノンドープな半導体層と、第１のノンドープな半導体層上に設けられた第１の第２導電型の半導体層と、第２のノンドープな半導体層上に設けられた第２の第２導電型の半導体層と、第１及び第２の第２導電型の半導体層に接続する第１電極層と、第１及び第２のノンドープな半導体層及び第１電極層の外側において第１導電型の半導体層に接続する２つの第２電極層と、第１導電型の半導体層上の第１及び第２のノンドープな半導体層の間、及び第１電極層と２つの第２電極層の間に設けられた第２クラッド層とを備える。第１導電型の半導体層と、第１のノンドープな半導体層と、第１の第２導電型の半導体層とからなる第１の受光素子と、第１導電型の半導体層と、第２のノンドープな半導体層と、第２の第２導電型の半導体層とからなる第２の受光素子は、当該２つの受光素子の間の第１導電型の半導体層を伝搬する光を受光する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の光導波路型受光素子構造によれば、第１及び第２のノンドープな半導体層は、入力光の経路から少し離れた外側に位置し、光は入射後の拡散を介して第１及び第２のノンドープな半導体層の広い領域(光伝搬方向の長い領域)で徐々に吸収されるので、フォトキャリア密度を低減することができる。その結果、フォトダイオードへの大強度光入力の際の空間電荷効果による特性劣化や発熱による破損等を回避し、安定した特性を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来のＧＳＧ型の電極配置を有するｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードの構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造の構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造で使用可能なｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードの構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造の光透過率の計算結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造の(１／ｅ)吸収長の計算結果を示す図である。
【図６】本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造の光透過率の計算結果を示す図である。
【図８】本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造の(１／ｅ)吸収長の計算結果を示す図である。
【図９】本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造の光透過率の計算結果を示す図である。
【図１０】本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造の(１／ｅ)吸収長の計算結果を示す図である。
【図１１】本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造の構成を示す平面図である。
【図１２】本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図２は、本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造の構成を示す図である。図３は、本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造で使用可能なｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードの構成を示す図である。Ｇｅフォトダイオードを用いるのは、Ｇｅが光通信で使用する波長光(例えば１.３〜１.６μｍなど)を吸収可能な光学的バンドギャップを有するからである。図２の(ａ)は、(ｂ)のＢ−Ｂ´断面での上から見た平面図(断面図)であり、(ｂ)は、(ａ)のＡ−Ａ´断面での断面図である。基板上の下側クラッド層２７上のｐ型(ｐ+)Ｓｉ層からなるＳｉスラブ２１は平板状の構造を有し、光導波路１に接続する中央の光伝搬部(導波路部)２８の外側上に離間した２つのノンドープなＧｅ層２９、３０が光の伝搬方向に沿って横長に形成される。Ｇｅ層２９、３０の上には、図３に例示されるようにｎ型(ｎ+)のＳｉ層またはＧｅ層、あるいはその両方(以下、Ｓｉ／Ｇｅ層)３７が形成され、さらにその上にはＳ電極２４が形成される。２つのＧｅ層２９、３０の両側(外側)に２つのＧ電極２３、２５が形成される。基板(図示なし)は、例えばＳｉ基板またはＳＯＩ基板からなる。なお、基板として石英、サファイヤ、あるいは化合物半導体を用いることもできる。下側クラッド層２７は、例えばＳｉＯ2層、ＳＯＩ基板を用いた場合はＳｉＯ2として基板中の埋め込み酸化膜(ＢＯＸ)を用いる。
【００１１】
Ｓｉスラブ２１上にはさらにＧｅ層２９、３０、Ｓ電極２４、及びＧ電極２３、２５の間を埋めるように上側クラッド層３１が形成されている。上側クラッド層３１は、下側クラッド層２７と同様に例えばＳｉＯ2層を用いる。なお(ａ)では、光導波路１は、上側クラッド層３１に接続しているように見えるが、実際はその下側のＳｉスラブ２１に接続する。Ｓｉスラブ２１の光伝搬部２８の左側のｐ型(ｐ+)Ｓｉ層とその上のＧｅ層２９とｎ型(ｎ+)Ｓｉ／Ｇｅ層３７(図３)が１つのｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードを構成している。同様に、Ｓｉスラブ２１の光伝搬部２８の右側のｐ型Ｓｉ層とその上のＧｅ層３０とｎ型Ｓｉ／Ｇｅ層３７(図３)がもう１つのｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードを構成している。
【００１２】
本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造では、Ｓｉスラブ２１の光伝搬部２８の両側の上方に離間した２つの光伝搬方向に沿った横長のｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードを備えることが１つの特徴である。これにより光は入射後の拡散を介して２つのｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードのノンドープなＧｅ層２９、３０の広い領域(光伝搬方向の長い領域)で徐々に吸収されるので、フォトキャリア密度を低減することができる。
【００１３】
図３のｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードの構成例では、２つのＧ電極２３、２５が接続するＳｉスラブ２１には、接触抵抗を下げるために高ドープなｐ型(ｐ++)領域３５が形成されている。また、Ｇｅ層３６の側壁にはＳｉまたはＧｅのキャップ層３８が形成されている。なお、このｐｉｎ構造の構成はあくまで一例であって他の実施形態であってもよい。例えば、Ｓｉスラブ２１をｎ型(ｎ+)Ｓｉ層とし、Ｇｅ層２９、３０上にｐ型(ｐ+)Ｓｉ／Ｇｅ層を設けてｐ層とｎ層が上下逆のｐｉｎ構造とすることができる。また、Ｇｅの代わりに、光通信で使用する波長光を吸収可能な光学的バンドギャップを有する他の半導体材料(例えばＩｎＧａＡｓ等)を用いることもできる。使用する半導体材料は光通信で使用する光の波長帯に応じて適宜選択することができる。
【００１４】
図４に図２及び図３の本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造における２つのＧｅ層２９、３０の長さ(図２(ａ)の水平方向での長さ)に対する光透過率(光吸収特性)の計算結果を示す。図５に図４で得られた吸収特性を減衰指数関数近似した場合の２つのＧｅ層２９、３０の間隔(ギャップ幅)に対する(１／ｅ)吸収長のグラフＡ１を示す。図４中のａ〜ｅのグラフは、２つのＧｅ層２９、３０のギャップ幅が、順番にａ：０μｍ、ｂ：２μｍ、ｃ：４μｍ、ｄ：６μｍ、ｅ：８μｍの場合を示している。ａ：０のμｍグラフは、図１の従来のＧｅフォトダイオードに示すように、１つのＧｅ層がＳｉスラブの光伝搬部上にある場合に相当する。図４の計算条件は以下の通りである。
【００１５】
＜図４の計算条件＞
Ｇｅ層：幅３ｕｍ、高さ０.５μｍ、屈折率４.２７、
吸収係数４３００ｃｍ-1、ギャップ幅２〜８μｍ
Ｓｉスラブ層：高さ０.２２μｍ、屈折率３.４７８、吸収係数０
Ｓｉ導波路：幅２μｍ、高さ０.２２μｍ
光波長：１５５０ｎｍ
計算方法：モード計算：フィルムモードマッチング法
伝搬計算：固有モード展開法
【００１６】
図４と図５から明らかなように、本発明の一実施形態の光導波路型受光素子構造を用いれば、光の吸収に関与する領域を従来構造に比べ大幅に長くすることができる。また、その光吸収特性をＧｅ層間のギャップ幅で調整可能である。具体的には、従来型のＧｅフォトダイオードの構成では、１５μｍ程度のＧｅ層長で光がほとんど吸収されてしまうのに対して、本発明のＧｅフォトダイオードの構成では、Ｇｅ層の間隔(ギャップ幅)を例えば８μｍ(ｅ)とすることにより従来型の約６倍の約９０μｍ程度のＧｅ層長に渡って光を徐々に吸収させることができる。図４と図５の光吸収特性、デバイスサイズ(集積度)等の観点から、２つのＧｅ層２９、３０のギャップ幅は大よそ３〜８μｍの範囲にあることが望ましい。
【００１７】
図６は、本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造の構成を示す断面図である。図６は、図２の(ｂ)の場合と同様に図２(ａ)のＡ−Ａ´断面での断面を示している。図６では、Ｓｉスラブ２１の中央の光伝搬部(導波路部)２８の両側に溝(トレンチ)４０を設けて、光が主に伝搬する中央の凸部２８とその両側の凹部４０を有する構造とした点が図２の実施形態との相違点である。他の構成は基本的に図２の実施形態と同様である。
【００１８】
図７と図９に、図６の本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造における２つのＧｅ層２９、３０の長さ(図２(ａ)の水平方向での長さ)に対する光透過率(光吸収特性)の計算結果を示す。図７は、２つのＧｅ層２９、３０のギャップ幅が４μｍの場合の光透過率であり、図９は５μｍの場合の光透過率である。図８と図１０は、図７と図９で得られた吸収特性を減衰指数関数近似した場合のトレンチ深さに対する(１／ｅ)吸収長のグラフＡ２とＡ３を示す。
【００１９】
図７中のＴ０〜Ｔ３０のグラフは、図６のトレンチ４０の深さが、順番にＴ０：０ｎｍ、Ｔ１０：１０ｎｍ、Ｔ２０：２０ｎｍ、Ｔ３０：３０ｎｍの場合を示している。Ｔ０：０ｎｍのグラフは、図２の溝(凹部)が無いＳｉスラブの場合に相当する。図７の計算条件は図４の計算条件に、
Ｇｅ層：トレンチ幅０.５μｍ、トレンチ深さ０〜３０ｎｍ
をさらに追加した条件である。図７と図８から明らかなように、２つのＧｅ層２９、３０のギャップ幅が４μｍの場合に、トレンチ４０を設けその深さを例えば１０〜３０ｎｍの範囲で設定することにより、光が漏れ易い導波路構造として、Ｇｅ層２９、３０への光結合度をさらに減らしてより長いＧｅ層で徐々に光を吸収させることが可能となる。
【００２０】
図９中のＴ０〜Ｔ２０のグラフは、図６のトレンチ４０の深さが、順番にＴ０：０ｎｍ、Ｔ５：５ｎｍ、Ｔ１０：１０ｎｍ、Ｔ２０：２０ｎｍの場合を示している。Ｔ０：０ｎｍのグラフは、図２のトレンチ(凹部)が無いＳｉスラブの場合に相当する。図９の計算条件は図４の計算条件に、
Ｇｅ層：トレンチ幅１.５μｍ、トレンチ深さ０〜２０ｎｍ
をさらに追加した条件である。図９と図１０から明らかなように、２つのＧｅ層２９、３０のギャップ幅が５μｍの場合に、トレンチ４０を設けその深さを例えば５〜２０ｎｍの範囲で設定することにより、光が漏れ易い導波路構造として、Ｇｅ層２９、３０への光結合度をさらに減らしてより長いＧｅ層で徐々に光を吸収させることが可能となる。
【００２１】
本発明の他の一実施形態の光導波路型受光素子構造によれば、２つのｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードのＧｅ層の間隔(ギャップ幅)に加えて、その間隔内のＳｉスラブの光伝搬部の両側の溝(トレンチ、凹部)の深さを調整することにより、光強度やデバイスサイズ(集積度)を考慮しつつ、Ｓｉスラブの光伝搬部からＧｅ層への光結合距離を長めに設定することができる。
【００２２】
図１１と図１２に本発明のさらに他の実施形態の光導波路型受光素子構造の構成を示す。両図は、いずれも図２(ａ)と同様な図２(ｂ)のＢ−Ｂ´面での平面図である。図１１は、２つのｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードのＧｅ層４２、４３のギャップ幅が光導波路２０に接続する光入射側では広く、光の伝搬方向(図の右方向)に沿って徐々に狭くなる構成を示している。それにともなってＧｅ層４２、４３の両側のＧ電極４４、４５は図のようにその平面形状は先が広くなるくさび形となっている。なお、Ｇ電極４４、４５は、一様な幅の形状(長方形)でもよい。この配置により、光入射側のＧｅ４２、４３層での光吸収量を減らし、Ｇｅ層の長さ当たりの光吸収量をできるだけ均一化することにより、デバイス長(必要となるＧｅ層の長さ)を短くすることが可能となる。
【００２３】
図１２は、ギャップ幅の異なるＧｅ層のペアを光の伝搬方向に沿って複数配置する場合の一例である。図１２では、４つのｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードを用いている。光導波路２０に接続する光入射側の２つのｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードのＧｅ層４６、４８のギャップ幅は広く、後段の２つのｐｉｎ構造のＧｅフォトダイオードのＧｅ層４７、４９のギャップ幅は狭くなっている。それにともなってＧｅ層４６、４８の両側のＧ電極５０、５１の部分はその平面形状の幅が狭く、Ｇｅ層４７、４９の両側のＧ電極５０、５１の部分はその幅が広くなっている。なお、Ｇ電極４７、４９は、一様な幅の形状(長方形)でもよい。この配置により、光入射側のＧｅ４６、４８層での光吸収量を減らし、Ｇｅ層の長さ当たりの光吸収量を前段部と後段部で同様にすることにより、デバイス長(必要となるＧｅ層の長さ)を短くすることが可能となる。
【００２４】
上述した本発明の各実施形態の光導波路型受光素子構造にいて、Ｇ電極及びＳ電極を進行波型電極(電気伝送路)とすることができる。すなわち、デバイスが長くなり、周波数特性の劣化が予想される場合は、電極構造を光変調器などで用いられる進行波型電極とし、Ｓｉスラブ中の光の群速度と電気伝送路の電気信号の位相速度を一致させる。ここで、進行波型電極とは電極を走る高周波信号の速度と導波路内の光の速度が同じになるように設計された電極構造を意味する。
【００２５】
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の光導波路型受光素子構造は、比較的大きな強度の伝搬光を受光可能なｐｉｎ型受光素子を含む光導波路型受光素子構造として光導波路に接続する光回路あるいは光集積回路の一部として利用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１、２０：光導波路
２、２１：Ｓｉスラブ(ｐ型Ｓｉ層)
３、５、２３、２５、４４、４５、５０、５１：Ｇ電極
４、２４：Ｓ電極
７、２７：下側クラッド層(ＳｉＯ2)
８、２９、３０、３６、４２、４３、４６、４７、４８、４９：Ｇｅ層
９、３７：ｎ型Ｓｉ／Ｇｅ層
１０、３１：上側クラッド層(ＳｉＯ2)
１８、２８：光伝搬部(導波路部、凸部)
３５：ｐ++層
３８：キャップ層
４０：溝(トレンチ、凹部)
【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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