(57)【要約】      （修正有）【課題】光送信装置において、多値信号の数を増加させることなく、かつ、光送信装置の簡易なハードウェアの変更により暗号強度を向上させる。【解決手段】多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、光信号に対して、量子雑音を付加し、光Ｐｏｗｅｒを調整する雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路を有する。雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路は、光信号を減衰させる減衰器４０１と、ＡＳＥ(Amplified  Spontaneous  Emission)光により量子雑音を付加する第一の光増幅器４０２と、減衰器と第一の光増幅器に接続されて、光信号を増幅させる第二の光増幅器４０３とからなる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、
光信号に対して、量子雑音を付加し、光Ｐｏｗｅｒを調整する雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路を有し、
前記雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路は、
光信号を減衰させる減衰器と、
ＡＳＥ(Amplified Spontaneous Emission)光により量子雑音を付加する第一の光増幅器と、
前記減衰器と前記第一の光増幅器に接続されて、光信号を増幅させる第二の光増幅器とからなることを特徴とする光送信装置。
【請求項２】
前記第一の光増幅器を複数有することを特徴とする請求項１記載の光送信装置。
【請求項３】
前記第一の光増幅器は、前記減衰器と前記第一の光増幅器をつなぐ伝送路に対して、並列に接続されたことを特徴とする請求項２記載の光送信装置。
【請求項４】
前記第一の光増幅器は、前記減衰器と前記第一の光増幅器をつなぐ伝送路に対して、直列に接続されたことを特徴とする請求項２記載の光送信装置。
【請求項５】
多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信方法であって、
暗号化された光信号を減衰器により、減衰させるステップと、
第一の光増幅器が、ＡＳＥ(Amplified Spontaneous Emission)光により量子雑音を付加するステップと、
前記減衰器と前記第一の光増幅器に接続された第二の光増幅器が、前記減衰器から出力される光信号と、第一の光増幅器から出力される光信号を増幅させるステップとを有することを特徴とする光送信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送信装置及び光送信方法に係り、特に、多値強度変調によりデータを変調して光信号により送信する際に、暗号強度を向上させ、伝送距離を長くするのに好適な光送信装置及び光送信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｙｕｅｎ量子暗号は光通信量子暗号（Ｙ−００）通信とも呼ばれ、光の量子ゆらぎ（量子ショット雑音）を変調によって拡散させ、盗聴者によって光信号を正確に受信できなくする通信技術であり、共通鍵量子暗号へ適用することが提唱されている。この共通鍵量子暗号は、２値の送信データを搬送する２値の光信号を一つのセット（基底という）とし、この基底を複数Ｍ個用意し、いずれの基底を使ってデータを送るかは暗号鍵に従う擬似乱数によって不規則に決める。現実的には光Ｍ値信号は量子ゆらぎによって識別ができないほど信号間距離が小さく設計されているため、結局、盗聴者は全く受信信号からデータ情報を読みとることができない。
【０００３】
正規の送受信者の光変復調装置は、２値のＭ個の基底を共通の擬似乱数にしたがって切り換えて通信するため、正規の受信者は信号間距離の大きな２値の信号判定によってデータを読みとることができる。したがって、量子ゆらぎによるエラーは無視でき、正規の送受信者間では正確な通信が可能となる。この光変調方式による暗号は、Ｙｕｅｎ−２０００暗号通信プロトコル（Ｙ−００プロトコルと略称される）によるＹｕｅｎ量子暗号と呼ばれる。
【０００４】
このようなＹ−００プロトコルにおいて、暗号強度を高める方法としては、多値数を増加させ、信号パターンの解析を難解にし、解読に必要な暗号鍵の推測を困難にさせる方法が一般的である。
【０００５】
この多値信号の生成には一般的にＤＡＣ(DigitalAnalogConvertor)が用いられる。また、その他の多値信号の生成する仕組みとして、特許文献１には、光送信装置において、光源発生部から出力される光源の信号レベルを可変にし、２以上の光信号レベルを有する光信号を生成し、光変調部で、光源からの光信号レベルが可変な信号を合成することにより、多段階の光信号レベルの光信号を生成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１１６１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術において、多値信号の生成にＤＡＣを用いる光送信装置で、多値数を増加させるにはＤＡＣの変更、すなわち、光送信装置の再設計が必要となり、装置の開発労力と開発コストの面で問題がある。また、必要な多値数と伝送速度とを両立するＤＡＣが存在しない場合もあり、容易に多値数増加が実現できない可能性がある。
また、特許文献１に記載された光送信装置では、光送信装置において、光源制御部と光源変調部の設計変更が必要となる。
【０００８】
いずれの従来技術においても、暗号強度を高める方法としては、多値信号の数を増加させる方法では、光送信装置のみならず、光信号を受信する光受信装置の更改も必要になるため、光送受信システムとしては、大幅な変更が必要となる。
【０００９】
本発明の目的は、多値信号の数を増加させることなく、かつ光送信装置の簡易なハードウェアの変更により、暗号強度を向上させることにある。
また、光送受信において、暗号強度を担保したまま、伝送距離を延ばすことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の光送信装置は、好ましくは、多値強度変調による光通信量子暗号を用いて、データを光信号に変調して送信する光送信装置であって、光信号に対して、量子雑音を付加し、光Ｐｏｗｅｒを調整する雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路を有し、雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路は、光信号を減衰させる減衰器と、ＡＳＥ(Amplified Spontaneous Emission)光により量子雑音を付加する第一の光増幅器と、減衰器と第一の光増幅器に接続されて、光信号を増幅させる第二の光増幅器とからなるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、多値信号の数を増加させることなく、かつ、光送信装置の簡易なハードウェアの変更により暗号強度を向上させることが可能となる。また、光送受信において、暗号強度を担保したまま、伝送距離を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一般的な光通信における量子雑音の様子と信号の関係を示す図である。
【図２】Ｙ−００プロトコルにおける量子雑音の様子と信号の関係を示す図である。
【図３】量子雑音量の増加する際の量子雑音の様子と信号の関係を示す図である。
【図４】量子雑音量の増加する際の量子雑音が重なる様子と信号の関係を示す図である。
【図５】実施形態１に係る光送信装置の構成を示すブロック図である。
【図６】実施形態１に係る光送信装置の構成を装置レベルまでブレークダウンした図である。
【図７】シミュレーション設定値を示す図である。
【図８】光Ａｍｐ２の正規受信者（Legitimate User）のPowerPenaltyのグラフを表す図である。
【図９】光Ａｍｐ２の盗聴者（Eavesdropper）のPowerPenaltyのグラフを表す図である。
【図１０】光送信装置と光受信装置の計算条件を示した図である。
【図１１】多値数ごとに、盗聴者の受信感度が、従来技術を使用した際の正規受信者の受信感度と等しくなるために必要な消光比を示した図である。
【図１２】実施形態１の光送信装置を使用した際の正規受信者の受信感度の計算結果を示した図である。
【図１３】実施形態２に係る光送信装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】実施形態３に係る光送信装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】一般的なＹ−００プロトコルによる光通信システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る各実施形態を、図１ないし図１５を用いて説明する。
【００１４】
〔光通信システムの構成〕
先ず、図１５を用いて一般的なＹ−００プロトコルによる光通信システムの構成について説明する。
Ｙ−００プロトコルによる光通信システムでは、電気信号を光信号に変換し、光送信装置１００と光受信装置２００の間の光ファイバーなどの伝送路を暗号化して送信するシステムである。なお、図１５には示されていないが、実際のシステムには、電気信号として送信データを光送信装置１００に入力するデータ送信装置と、光受信装置２００が出力される送信データを入力するデータ受信装置が接続される。
【００１５】
光送信装置１００は、図１５に示されるように、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０４、多値信号生成部１０６、光源発生部１０８、光変調部１１０からなる。
共有鍵１０２は、光送信装置１００と光受信装置２００（共有鍵２０２）の間で共有される暗号鍵であり、多値信号の遷移パターンを決めるための元になるデジタルデータである。
【００１６】
Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０４は、共有鍵１０２を元データとして、擬似乱数（ランダムパターン）の性質を有するＲｕｎｎｉｎｇ鍵を生成する。これは、暗号強度を強化するために生成されるワンタイム鍵である。
多値信号生成部１０６は、送信データ（デジタルデータ）をＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従って多値信号に変換する。
【００１７】
一方、光源発生部１０８は、例えば、フォトダイオードなどから構成され、一定レベルの強度を有する光を発生する。そして、光変調部１１０により、光源の出力光を多値信号に従って変調し、光多値信号を生成する。光多値信号は、例えば、強度変調の場合は、光の強度の違いより表現される。
この暗号化された光多値信号は、伝送路を介して、光受信装置２００に送られる。
【００１８】
次に、光受信装置２００は、図１５に示されるように、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部２０４、閾値生成部２０６、Ｏ／Ｅ（Optical/Electrical）変換部２０８、識別器２１０からなる。
【００１９】
光受信装置２００では、伝送路を介して、送られてきた光多値信号をＯ／Ｅ変換部２０８により、電気多値信号に変換する。
ここで、詳細は省くが、光送信装置１００と光受信装置２００の間の同期プロセスにより、共通のＲｕｎｎｉｎｇ鍵が使われて、閾値生成部２０６より、識別器２１０に入力される閾値が生成される。
【００２０】
識別器２１０では、入力されてきた閾値を用いて、Ｏ／Ｅ変換部から出力される電気多値信号を識別して、送信データを復元する。
【００２１】
〔量子雑音の原理〕
次に、図１ないし図４を用いてＹ−００プロトコルにおける暗号化と量子雑音の原理の関係について説明する。
一般的な光通信においては、図１に示されるように、強度の異なる信号０、信号１を、その間に設けた閾値ｔｈにより判定する。一般に、信号０と信号１とは雑音を含めた状態においても十分に光レベルが離れており、一定の閾値信号を用いることにより、両信号を正確に判別可能となる。ここで、図１のグラフにおいては、信号０、信号１を中心とした雑音の強度を横軸に取っている。
【００２２】
一方、Ｙ−００プロトコルおける各信号と量子雑音の影響を示すと図２のようになる。Ｙ−００プロトコルにおいては、一般的な光通信とは異なり多値変調をおこなっているため、２値以上の信号レベルを有する(図２においては、５値であり、信号０〜信号４を伝送する)。このとき各信号間の光レベル差を狭くしていくと、雑音同士が重なりあい(図２の信号０〜信号４によるｏｌｐ０〜ｏｌｐ３の重なり部分)、閾値が分からない盗聴者にとっては、いずれのレベルの信号であるか判別できなくなる。この重なり量がＹ−００プロトコルおける暗号強度を担保している。
【００２３】
重なり量を増加させるには信号間のレベル差をさらに小さくするか(これが多値数を増加させるという発想)、図３に示される様に量子雑音量を増加させることにより実現可能となる(雑音強度ｇ１→雑音強度ｇ２)。
【００２４】
本発明では、後者の量子雑音量を増加させる方法を選択して、図４に示したように、量子雑音量を増やした事で信号同士の重なり量を増やし(図４の信号０〜信号４によるｏｌｐ０〜ｏｌｐ３の重なり部分)、雑音増加前よりもさらに信号の判別を困難にするものである。
量子雑音の増加する具体的な手段については、次に詳述する。
【００２５】
〔光送信装置の構成(実施形態１)〕
次に、図５及び図６を用いて実施形態１に係る光送信装置の構成について説明する。
本実施形態の光送信装置では、量子雑音の増加を光増幅器(以下、「光Ａｍｐ(Amplifier)」という)を用いることにより、実現させる。
【００２６】
光Ａｍｐは、入力光が無い状態で使用するとＡＳＥ(Amplified Spontaneous Emission)光を出力する。ＡＳＥ光とは、希土類元素などが励起光を吸収して発光される励起光と別の波長の光(自然放出光)である。このＡＳＥ光は高帯域なスペクトルをもつ光ＡＳＥの主な雑音要因として知られており、光電気変換時に量子雑音が発生する。本実施形態の光送信装置は、このＡＳＥ光を従来の多値光信号に付加することによって、暗号強度を高めるようとするものである。
【００２７】
本実施形態の光送信装置３００は、図５に示されるように、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成回路(図１５のＲｕｎｎｉｎｇ鍵生成部１０４にあたる回路、図示は、省略)、多値信号生成回路３０１、ＣＷ(Continuous Wave：連続波)光源３０３、ＬＮ(Lithium Niobate：線形)変調器３０４、雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路４００からなる。
【００２８】
多値信号生成回路３０１は、図１５の多値信号生成部１０６にあたる回路であり、Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵を入力して、そのＲｕｎｎｉｎｇ鍵に従う多値信号を生成する回路である。多値信号生成回路３０１は、ＤＡＣ３０２を内包している。ＤＡＣ３０２は、Ｎ本の伝送信号をデジタルアナログ変換し、２Ｎ−１ｂｉｔの電気多値信号を生成する。
ＣＷ光源３０３は、図１５の光源発生部１０８に該当する回路であり、伝送光を生成する。
ＬＮ変調器３０４は、ＣＷ光源３０３からの伝送光を電気多値信号に従い、光多値信号に変調する。
【００２９】
雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路４００は、暗号強度を向上させるための本発明の特徴部分を成す回路であり、光信号の量子雑音を増加させ、かつ、その光Ｐｏｗｅｒを調整する機能を有する。
雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路４００は、ＡＴＴ(ATtenuaTor：減衰器)４０１、光Ａｍｐ１(４０２)、光Ａｍｐ２(４０３)からなる。
【００３０】
光Ａｍｐ１(４０２)は、量子雑音を増加させるためのＡＳＥ光を発生させる装置である。
ＡＴＴ４０１は、ＬＮ変調器３０４で生成した光多値信号を減衰させる回路である。
これは、光Ａｍｐ１(４０２)にて生成したＡＳＥ光に対して、光多値信号の光Ｐｏｗｅｒが大きすぎる場合、ＡＳＥ光で付加する量子雑音が光多値信号に埋もれて、意味をなさない場合がある。このためＡＳＥ光による雑音を無視できない光Ｐｏｗｅｒまで光多値信号を減衰させる必要があるためである。
【００３１】
光Ａｍｐ２(４０３)は、ＡＴＴ４０１において、減衰させた光多値信号を増幅させ、伝送距離を確保するための回路である。
【００３２】
図５に示した光送信装置３００を、より回路レベルにブレークダウンすると、図６に示されるようになる。
図５のＡＴＴ４０１が、図６のＶＯＡ(Variable Optical Attenuator：可変光減衰器)５０１に、図５のＡｍｐ１(４０２)が、図６のＳＯＡ（Silicon Optical Amplifier：半導体光アンプ）５０２に、図５の光Ａｍｐ２(４０３)が、図６のＳＯＡ５０３に該当する。また、図５のＡＴＴ４０１、Ａｍｐ１(４０２)と、光Ａｍｐ２(４０３)の伝送路に、光導波（又は、ＯＭＵＸ（Optical MUltipleXer：光多重装置)）５１０が介在する。
【００３３】
この装置構成においては、ＬＮ変調器３０４からの出力光に対して、ＶＯＡ５０１を用いて光Ｐｏｗｅｒを減衰させ、ＳＯＡ５０２を用いて発生させたＡＳＥノイズを付加する。このとき、両信号を付加するには光導波（又は、ＯＭＵＸ）５１０を用いる。最後に、通常の伝送光Ｐｏｗｅｒまで増幅する用途として、別途ＳＯＡ５０３を用いる。
【００３４】
また、ＶＯＡ５０１、ＳＯＡ５０２、光導波（又は、ＯＭＵＸ）５１０、ＳＯＡ５０３を、一つの導波デバイスとして、実装することも可能である。このときには、装置が小規模になる、低コストで実現できるというメリットがある。
【００３５】
〔暗号強度の向上〕
次に、図７ないし図９を用いて実施形態１に係る光通信装置における暗号強度の向上の効果について説明する。
以下では、図７に示される設定で、光送信装置と光受信装置の設定をおこない、暗号強度の向上についてシミュレーションをおこなった。なお、図中ＥＤＦＡ(Erbium Doped optical Fiber Amplifier)とは、特に希土類元素Ｅｒ:エルビウムをドープ（添加）した光ファイバを利用する増幅器である。またシミュレーションでは本発明の効果をわかりやすくするために多値数を4値に減らして行っている。
【００３６】
ここで、従来技術で設計したＹ−００装置と本発明にて設計したＹ−００装置との受信感度差(Power Penalty)（ｄＢ単位）をシミュレーションした結果を比較して説明する。
図８は、Bit Error Rateが１Ｅ−１２における正規受信者（Legitimate User）にとっての光Ａｍｐ２の４ｄＢのゲインのPowerPenaltyを示したものである。
ここで、横軸は光Ａｍｐ１のゲイン(Ｇ１)、縦軸は従来技術との受信感度差を示している。このグラフによれば、光Ａｍｐ１のゲイン(Ｇ１)を上げることにより、Power Penaltyが増加していることがわかる。ゲインを上げることは、ノイズが増えることにつながるため正規受信者の受信感度にも影響を及ぼす。
【００３７】
次に、正規ではない受信者(盗聴者)にとってのPowerPenaltyについてシミュレーションした結果について説明する。
図９は、Bit Error Rateが１Ｅ−１２における盗聴者（Eavesdropper）にとっての光Ａｍｐ２の４ｄＢのゲインのPower Penaltyを示したものである。
図９によれば、例えばＧ１＝４ｄＢとした場合、正規受信者はPower Penaltyが１ｄＢ以下であるのに対して、盗聴者は約３ｄＢの受信感度差が生まれている。Ｇ１をさらに増加させ６ｄＢに設定すると、正規受信者は約１ｄＢであるのに対して盗聴者のPower Penaltyは、発散し１０ｄＢ以上の受信感度差が生まれる。このように本実施形態により付加された光Ａｍｐ１及び光Ａｍｐ２の効果により、多値数を変更することなく、また、正規受信者の受信感度を大きく劣化させること無く、暗号強度を高めることができる。
【００３８】
〔伝送距離の向上〕
本実施形態の光送信装置によれば、伝送距離の向上を見込むことができる。
以下、図１０ないし図１２を用いて伝送距離の向上の効果について説明する。
伝送距離の比較対象は、従来技術により設計したＹ−００装置となる。以下では、従来技術のＹ−００装置と同程度の安全性を保持した状態で、本発明のＹ−００装置を使用した際、伝送距離がどの程度伸びるか計算した結果について説明する。
【００３９】
計算手順は以下の通りである。
（１）本発明を使用した際の盗聴者の受信感度が、従来技術を使用した際の正規受信者と等しくなる消光比を計算
（２）（１）の消光比設定で、本発明を使用した際の正規受信者の受信感度を計算
（３）(２)の最小受信感度と従来技術を使用した際の正規受信者の受信感度の差分(PowerPenalty)を計算
（４)(３)のPowerPenaltyから伝送距離を計算
計算条件は、図１０に示されるようになる。
【００４０】
ここで、従来技術のＹ−００装置を使用した際の正規受信者と盗聴者の受信感度は、以下のようになる。
正規受信者：ＢＥＲ＝ErrorFree(1E-12)  ＠Ｐｉｎ＝-13.4ｄＢｍ（＝最小受信感度）
盗聴者    ：ＢＥＲ＝0.954  ＠Ｐｉｎ＝0ｄＢｍ
【００４１】
次に、本発明のＹ−００装置を使用した際の盗聴者の受信感度が、従来技術のＹ−００装置を使用した際の正規受信者の受信感度(-13.4@1E-12)と等しくなるために必要な消光比を求める。このときの多値数ごとの消光比は、図１１に示されるようになる。図１１によれば、多値数が増加するにつれて、暗号強度が増し、必要な消光比が増加していることがわかる。
【００４２】
次に、図１１のように、多値数及び消光比に設定して、本発明のＹ−００装置を使用した際の正規受信者の受信感度の計算結果を、図１２を用いて説明する。
図１２によれば、消光比が増加するにつれて、正規受信者の受信感度(Ｐｒｍｉｎ)が向上しているのがわかる。
【００４３】
このとき、従来技術のＹ−００装置を使用した正規受信者の受信感度(-13.4ｄＢ)との差分(PowerPenalty)も大きくなり、同様の受信感度を得るために必要な入力光Ｐｏｗｅｒに余裕が生まれることとなり、その結果、伝送距離が長くなることにつながる。
【００４４】
〔光送信装置の構成(実施形態２)〕
次に、図１３を用いて実施形態２に係る光送信装置の構成について説明する。
実施形態２の光送信装置３００では、実施形態１の光Ａｍｐ１（４０２）にあたる部分を、光Ａｍｐを複数設けて、図１３に示されるように、光Ａｍｐ１１（４０２１）、光Ａｍｐ１２（４０２２）、光Ａｍｐ１３（４０２３）として、ＡＴＴ４０１と光Ａｍｐ２（４０３）をつなぐ伝送路に対して並列に接続する。
【００４５】
このようにする利点は、光Ａｍｐのゲインの調整が容易になり、自由度が増すこと、また、付加する量子雑音を増やせることにある。
【００４６】
〔光送信装置の構成(実施形態３)〕
次に、図１４を用いて実施形態３に係る光送信装置の構成について説明する。
実施形態３の光送信装置３００では、実施形態１の光Ａｍｐ１（４０２）にあたる部分を、光Ａｍｐを複数設けて、図１４に示されるように、光Ａｍｐ１１（４０２１）、光Ａｍｐ１２（４０２２）、光Ａｍｐ１３（４０２３）として、ＡＴＴ４０１と光Ａｍｐ２（４０３）をつなぐ伝送路に対して直列に接続する。
【００４７】
このようにする利点は、実施形態２の場合と同様に、光Ａｍｐのゲインの調整が容易になり、自由度が増すこと、また、付加する量子雑音を増やせることにある。
【符号の説明】
【００４８】
１００，３００…光送信装置、２００…光受信装置、１０２…共有鍵(送信装置側)、２０２…共有鍵(受信装置側)、１０４…Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部(送信装置側)、２０４…Ｒｕｎｎｉｎｇ鍵生成部(受信装置側)、１０６…多値信号生成部、１０８…光源発生部、１１０…光変調部、２０６…閾値生成部、２０８…Ｏ／Ｅ（Optical/Electrical）変換部、２１０…識別器、
３０１…多値信号生成回路、３０２…ＤＡＣ(Digital Analog Convertor)、３０３…ＣＷ(Continuous Wave：連続波)光源、３０４…ＬＮ(Lithium Niobate：線形)変調器、４００…雑音Ｐｏｗｅｒ調整回路、４０１…ＡＴＴ(ATtenuaTor：減衰器)、４０２…光Ａｍｐ１、４０３…光Ａｍｐ２
【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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【図１５】
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