(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖した外縁で画成された中空コア（１６）を有し、前記外縁が、曲率が負である一連の弧部（２０）を備え、各弧部が弦（２４）を備える導波路であって、前記中空コア（１６）の前記外縁は、交互に配置された小弧部（ＰＡ）および大弧部（ＧＡ）を備え、各弧部（２０）は、前記中空コア（１６）の中心（１８）および前記弧部の弦（２４）の中央を通る直線に対して左右対称であり、前記大弧部の比率ｂ＝２Ｒａ／Ｃは、前記大弧部（ＧＡ）の場合は０．９よりも大きく、Ｒａは前記弦（２４）と前記弧部（２０）との間の最大距離に相当し、Ｃは前記弦（２４）の長さに相当し、前記弧部（２０）は厚み（ｔ）を有し、前記大弧部の比率ｂ＝２Ｒａ／Ｃと前記小弧部（ＰＡ）の比率ｂ’ ＝２Ｒａ／Ｃとは異なることを特徴とする、導波路。
【請求項２】
前記中空コア（１６）の前記外縁は、少なくとも３つの小弧部（ＰＡ）および少なくとも３つの大弧部（ＧＡ）からなることを特徴とする、請求項１に記載の導波路。
【請求項３】
すべての前記大弧部（ＧＡ）は、すべて同じ比率ｂを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の導波路。
【請求項４】
前記小弧部（ＰＡ）の比率ｂ’ ＝２Ｒａ／Ｃは、０．８以下であることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の導波路。
【請求項５】
前記弧部（２０）の厚みは、誘導される最大波長の半分以下であることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の導波路。
【請求項６】
厚みを有する前記弧部（２０）の材料は、目標の波長範囲内で１．２よりも大きい屈折率を有することを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の導波路。
【請求項７】
前記中空コア（１６）は、前記導波路の機能に適応したガスを充填されることを特徴とする、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の導波路。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の中空コアフォトニック結晶ファイバ。
【請求項９】
カップリングを抑制した誘導を実現できる構造であるクラッドを備えることを特徴とする、請求項８に記載のファイバ。
【請求項１０】
前記クラッドの構造は、導波の波長の５倍以上であるピッチの大きいカゴメタイプのものであることを特徴とする、請求項９に記載のファイバ。
【請求項１１】
請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の導波路または請求項８〜１０のうちいずれか一項に記載のファイバを備える、レーザ出力を伝達できる装置。
【請求項１２】
請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の導波路または請求項８〜１０のうちいずれか一項に記載のファイバを備える、レーザパルスの圧縮装置。
【請求項１３】
中空コアにガスを充填された、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の導波路または請求項８〜１０のうちいずれか一項に記載のファイバを備えるレーザガス。
【請求項１４】
請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の導波路または請求項８〜１０のうちいずれか一項に記載のファイバを備えるイメージング装置。
【請求項１５】
請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の導波路または請求項８〜１０のうちいずれか一項に記載のファイバを備える周波数校正装置。
【請求項１６】
請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の導波路または請求項８〜１０のうちいずれか一項に記載のファイバを備える導波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、とりわけ伝送損失を低減できるように外縁を最適化した中空コアを有する導波路に関する。本発明は、さらに詳細には、単位長さあたりの損失を少なくして伝送するように外縁が最適化され、モード内容が単一モード方式に近く、これと同等であり、最後に、導波モードのフィールドと中空コアの外縁を構成する材料との重なりが極めてわずかである中空コアフォトニック結晶ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶ファイバ（ＦＣＰまたはＰＣＦ、英語の「ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｆｉｂｅｒ」の略）は、ファイバの全長にわたって広がる介在物の２次元の周期格子で形成された導波路である。その構造により、これらのファイバは、電磁波をファイバのコア内に確実に閉じ込める。
【０００３】
これらのフォトニック結晶ファイバは、その幾何光学パラメータ、例えば介在物の直径、介在物の分布、周期性（２つの介在物の間のピッチ）、層数、使用材料の屈折率などを調整することで、極めて多様な導波の可能性を提供する。これらのフォトニック結晶ファイバを作製するために複数の技術を用いてよい。
【０００４】
スタックアンドドロー（英語で「ｓｔａｃｋ  ａｎｄ  ｄｒａｗ（積み重ねと線引き）」、と称する第１の動作モードでは、直径１から２ｍｍの中空チューブの形態であるキャピラリを束状に合わせる。次にこの束は、キャピラリを保持するためにチューブに挿入される。その後、チューブおよびキャピラリの束は線引きされる。
【０００５】
中空コアフォトニック結晶ファイバの場合、中空コアを形成するためにコアにはキャピラリが含まれていない。
【０００６】
もう１つの動作モードでは、介在物を生成してから線引きするようにシリンダを加工できる。
【０００７】
フォトニック結晶ファイバには、中実コアフォトニック結晶ファイバおよび中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦファイバ）がある。
【０００８】
本発明は、さらに詳細には、中空コアフォトニック結晶ファイバに関する。
【０００９】
例として、（特許文献１）には、中空コアフォトニック結晶ファイバ形態の導波路であって、三角構造のクラッドを備え、中空コアを形成する中心部にキャピラリがない導波路が記載されている。線引き段階の前に、中空コアは一連の円弧部で画成され、この円弧部は、中空コアを画成するキャピラリの壁に相当する。この発明の特徴点によれば、線引き段階の前に、中空コアは、横断面が円形で、この円の第１の方向に沿った第１の寸法は、第２の方向に沿った第２の寸法よりも大きい。線引き段階では、中空コアの外縁を形成する円弧部は平らになろうとするが、中空コアの断面は、線引き段階後はほぼ円形である。この文献によれば、記載されているファイバによって、１ｍｍから１．５μｍの波長範囲に対して約１ｄＢ／ｍという低損失を実現することが可能になり、その誘導は、「テラヘルツ」のスペクトル範囲には最適である。
【００１０】
導波の性質に応じて、フォトニック結晶ファイバには、フォトニックバンドギャップファイバ（ＢＩＰファイバまたはＰＢＧファイバ、英語の「Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｇａｐ  ｆｉｂｅｒ」の略）のほか、大ピッチファイバ（英語でｌａｒｇｅ−ｐｉｔｃｈ  ＨＣ−ＰＣＦ）またはカゴメタイプのファイバとも呼ばれるカップリング抑制導波ファイバ（英語でＩｎｈｉｂｉｔｅｄ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｇｕｉｄｉｎｇ  ＨＣ−ＰＣＦ）がある。
【００１１】
先行技術による中空コアフォトニックバンドギャップファイバには、以下の欠点がある。
【００１２】
約１．５μｍの特定の波長に対して約１ｄＢ／ｋｍの伝送損失を実現することが可能であるとしても、これよりも短い波長の場合、この値は極めてすぐに大きくなる。そのため、可視波長の場合、伝送損失は１０００ｄＢ／ｋｍに達することがある。
【００１３】
もう１つの問題によれば、これらのフォトニックバンドギャップファイバは約７０ＴＨｚの通過周波数帯を有するが、この通過周波数帯は、非線形光学や、極めて短いパルスの誘導などの特定の用途には狭すぎることは明らかと言ってよい。
【００１４】
もう１つの問題によれば、先行技術の中空コアフォトニックバンドギャップファイバは、高分解能分光法または極めて短いパルスの誘導のような特定の用途には分散があまりにも多く構造化している。
【００１５】
最後に、もう１つの問題によれば、先行技術の中空コアフォトニックバンドギャップファイバは、コア中の導波モードと低レーザの損傷閾値を生成する外縁との間では、出力の重なりが多い。
【００１６】
カップリング抑制導波ファイバの利点は、中空コアフォトニックバンドギャップファイバとは逆に、極端に広い通過周波数帯が得られるということである。その代わりに、これらのファイバは、中空コアフォトニックバンドギャップファイバよりも伝送損失が大きく、０．５ｄＢ／ｍを上回る。
【００１７】
カップリング抑制導波ファイバは、クラッドに関しては様々な構造を有することができる。
【００１８】
いわゆる三角である第１の構造によれば、介在物の格子は、断面が環状のキャピラリ形態であり、このキャピラリは六角形の表面上に分布し、キャピラリの中心は、正三角形を形成するように配置される。
【００１９】
いわゆるカゴメタイプの構造である第２の構造によれば、介在物の格子は壁で画成され、この壁は、ファイバの伝播方向に平行で、断面が六角形のチャネルと断面が三角形の残りのチャネルとに分かれるように、３つの方向に沿って６０°に配置される。この構成によれば、３つの壁は同じ一点に集中しない。
【００２０】
例を挙げると、（特許文献２）には、カゴメタイプの構造を有するカップリング抑制導波結晶ファイバが記載されている。
【００２１】
この種の導波を実現するには、線引き段階後に、介在物の壁ができる限り薄く、２つの連続する節の間ができる限り長くなければならず、これがピッチの大きい構造に相当する。
【００２２】
（非特許文献１）には、カゴメタイプの構造および中空コアを有するカップリング抑制導波ファイバが提案されている。さらに詳細には、この文献には２つのファイバが記載され、第１のファイバはコアがほぼ環状であり、第２のファイバのコアは、一連の円弧部を含む外縁で画成されている。この文献によれば、これらの円弧部は、内サイクロイドの外縁を形成している。
【００２３】
約１．４ｄＢ／ｍの伝送損失を生じる第１のファイバとは逆に、第２のファイバは約０．４ｄＢ／ｍの伝送損失を生じる。
【００２４】
この文献によれば、通過周波数帯が約２００ＴＨｚで約１８０ｄＢ／Ｋｍの伝送損失を生じるファイバを得ることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】米国特許第７．３１５．６７８号明細書
【特許文献２】国際特許第２００９／０４４１００号明細書
【特許文献３】国際特許第２００６０７７４３７号明細書
【非特許文献】
【００２６】
【非特許文献１】Ｌｏｗ  ｌｏｓｓ  ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ｈｙｐｏｃｙｃｌｏｉｄ−ｃｏｒｅ  Ｋａｇｏｍｅ  ｈｏｌｌｏｗ−ｃｏｒｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｆｉｂｅｒ”  Ｍａｒｃｈ  １，２０１１／Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．５／ＯＰＴＬＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、とりわけ最短のＵＶまたはＥＵＶ領域から最長のＩＲ領域まで及ぶ短い波長の場合に、前記ファイバの性能、とりわけ伝送損失に関して改良できるよう最適化した外縁を備える、中空コアを有する導波路を提供して、先行技術の欠点を改善することをねらいとする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
このようにするために、本発明は、閉鎖した外縁で画成された中空コアを有し、外縁が、負の曲率を有する一連の円弧部を備え、各円弧部が弦を備える導波路であって、中空コアの外縁は、交互に配置された小円弧部および大円弧部を備え、各円弧部は、中空コアの中心および円弧部の弦の中央を通る直線に対して左右対称であり、大円弧部の比率ｂ＝２Ｒａ／Ｃは、大円弧部の場合は０．９よりも大きく、Ｒａは弦と円弧部との間の最大距離に相当し、Ｃは弦の長さに相当することを特徴とする、導波路を目的とする。
【００２９】
好ましくは、円弧部の厚みは、誘導された最大波長の半分以下である。
【００３０】
本発明は、中空コアの外縁が前述した立体形状と一致する中空コアフォトニック結晶ファイバも提供する。好ましくは、本発明による中空コアフォトニック結晶ファイバはクラッドを備え、このクラッドの構造により、カップリングを抑制した誘導を実現できる。有利な実施形態によれば、クラッドの構造はカゴメタイプのものである。
【００３１】
本発明は、本発明による導波路またはフォトニック結晶ファイバを備える装置にも関し、これは、レーザ出力を伝達できる装置、レーザパルスの圧縮装置、中空コアにガスが充填されているガスレーザ、イメージング装置、周波数校正装置、導波装置などだが、このリストは全てを網羅するものではない。
【００３２】
その他の特徴および利点は、本発明に関する以下の説明文から明らかになり、この説明文は、付属の図面を対象に例として挙げているにすぎない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１のクラッド構造を有する本発明を示す中空コアフォトニック結晶ファイバの第１の変形例の断面図である。
【図２】もう１つのクラッド構造を有する本発明を示す中空コアフォトニック結晶ファイバのもう１つの変形例の断面図である。
【図３】図２に示したファイバの中空コアの外縁を詳細に示している断面図である。
【図４】本発明のもう１つの変形例によるファイバの中空コアの外縁を詳細に示している断面図である。
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態によるファイバの断面図であり、該ファイバの波長に応じた伝送損失の曲率を示すグラフと関連している図である。
【図５Ｂ】本発明のもう１つの実施形態によるファイバの断面図であり、該ファイバの波長に応じた伝送損失の曲率を示すグラフと関連している図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１から図４には、フォトニック結晶ファイバ形態の導波路を１０通りで示した。
【００３５】
フォトニック結晶ファイバ１０は、外側から内側へ向かって、保護カバー１２、クラッド１４、および外縁で画成された中空コア１６を備えている。中空コアは、空気またはファイバの機能に適応したガスを含んでいてよい。
【００３６】
クラッド１４は、複数の介在物を備え、この介在物は、フォトニック結晶ファイバ１０の全長にわたって広がっている。
【００３７】
ファイバのコアの中心を符号１８で表記している。
【００３８】
クラッド１４の構造（つまり分散、介在物の形状および使用材料）により、電磁波を中空コア１６に閉じ込めることができる。
【００３９】
図１に示した第１の変形例によれば、クラッド１４はカゴメタイプの構造である。図２に示したもう１つの変形例によれば、クラッド１４は三角構造である。当然ながら、本発明はこれらの変形例に限定されない。
【００４０】
そのため、構造の模様は、クラッドの断面全体にわたって一様でなくてよい。そのため、クラッドは、ファイバの中心１８に対して同心の複数の模様を有していてよい。
【００４１】
有利な実施形態によれば、クラッドは、カップリングを抑制した導波を実現できる構造である。このようにするために、クラッドの構造は、いわゆる大ピッチ（英語の「ｌａｒｇｅ  ｐｉｔｃｈ」）である。好ましくは、クラッドは、カゴメタイプの大ピッチの構造を有する。
【００４２】
そのため、クラッドの構造は、クラッドの屈折率を導波モードの実効屈折率に合わせるように選定される。
【００４３】
大ピッチとは、構造のピッチが導波の波長の５倍以上であるということを指す。
【００４４】
クラッドには多様な構成があってよいため、クラッドについてはこれ以上記載しない。変形例によれば、クラッドは、一様であってよく、規則的、ほぼ規則的、または不規則な構造を備えていてよい。
【００４５】
中空コア１６は、曲率が負である一連の円弧部２０（中心１８に向かって凸状になった部分）からなる閉鎖した外縁で画成される。各円弧部２０は、２つの端部２２．１および２２．２を備え、隣り合う２つの円弧部は１つの共通端部を有する。クラッド１４は、円弧部２０を保護して保持する役割を果たす。
【００４６】
重要な点によれば、以下の説明では、中空コアの立体形状は、完成したファイバとして記載されている。つまり、線引き段階を組み入れた実施工程の場合に線引き段階後にできたファイバであり、線引き段階前のファイバではない。
【００４７】
各円弧部２０は、円弧部の端部２２．１および２２．２を通る直線に相当する弦２４を備える。
【００４８】
好ましくは、各円弧部２０は、中心１８および弦２４の中央を通る直線に対して左右対称である。そのため、全円弧部２０の端部２２．１および２２．２は、ファイバの中空コアの中心１８を中心とする符号２６で示した円上に配置される。各円弧部は、ほぼ内サイクロイドであり、その準円は、円弧部の端部の円２６である。
【００４９】
各円弧部２０に関して、弦は長さがＣであり、Ｒａは、弦２４と円弧部２０との間の最大距離に相当する。
【００５０】
本発明の重要な特徴によれば、中空コアの外縁は、小円弧部ＰＡおよび大円弧部ＧＡからなり、両円弧部は交互に配置される。そのため、各小円弧部ＰＡは２つの大円弧部ＧＡの間に配置され、各大円弧部ＧＡは２つの小円弧部ＰＡの間に配置される。外縁は、同数の小円弧部ＰＡおよび大円弧部ＧＡからなる。
【００５１】
本発明によれば、大円弧部ＧＡは、比率ｂ＝２Ｒａ／Ｃが０．９以上である。
【００５２】
好ましくは、大円弧部ＧＡはすべて、同じ比率ｂを有する。
【００５３】
好ましくは、小円弧部ＰＡはすべて、同じ比率ｂ’＝２Ｒａ／Ｃを有する。有利には、小円弧部ＰＡの比率ｂ’は、０．８以下である。図３に示した有利な実施形態によれば、中空コアの外縁は、６つの大円弧部ＧＡおよび６つの小円弧部ＰＡからなる。
【００５４】
図４に示したもう１つの実施形態によれば、中空コアの外縁は、３つの大円弧部ＧＡおよび３つの小円弧部ＰＡからなる。
【００５５】
本発明は、これらの実施形態に限定されない。どのような実施形態であっても、中空部の外縁は、少なくとも３つの大円弧部ＧＡおよび少なくとも３つの小円弧部ＰＡからなる。
【００５６】
図に示したように、小円弧部ＰＡは下層円Ｒｏｕｔを画成し、大円弧部は、下層円Ｒｉｎｔよりも直径が短い下層円Ｒｉｎｔを画成し、２つの下層円ＲｉｎｔおよびＲｏｕｔは、ファイバの中空コアと同じ中心１８を有する。
【００５７】
図１および図２に示した実施形態によれば、中空コア１６は、中心が円２６上に配置されたキャピラリによって画成され、キャピラリは、円形と楕円形が交互になって隣接するようになっている。
【００５８】
前述した中空コアの外縁の立体形状により、中空コア内の導波モードのフィールドと外縁との間が空間的に重なるのを回避できるとともに、外縁の長さを長くでき、その結果、コアの基本モードと外縁によってもたらされたフィールドとの間のカップリングの抑制を高められる。この立体形状により、コアの中心１８の端部２２．１、２２．２をできる限り引き離すことも可能になる。
【００５９】
本発明のもう１つの特徴によれば、ｔと表記した円弧部２０の厚みは、誘導された最大波長の半分以下である。例を挙げると、誘導された最大波長が２μｍであれば、円弧部の厚みは１μｍ未満でなければならない。
【００６０】
使用材料に関して、円弧部２０の材料は、目標の波長範囲内で１．２よりも大きい屈折率を得られるように選定される。
【００６１】
約１ｍから１ｍｍである電磁波タイプの波長範囲内で波を誘導するのに適した実施形態によれば、円弧部の厚みｔは約０．５ｍｍである。選定される材料は、例えば銅などの反射性金属のように反射性が高いか、石英のように吸収率が低いものである。この波長範囲内では、円弧部２０は、金属製、ガラス製、ホウケイ酸ガラス製、石英製、セラミック材料製、ポリテトラフルオロエチレン製などであってよい。
【００６２】
約１００μｍから１ｍｍであるＴＨｚタイプの波長範囲内で波を誘導するのに適した実施形態によれば、円弧部の厚みｔは約５０μｍである。選定される材料は、テフロン（登録商標）製または吸収率が低く屈折率が１．２よりも大きい材料製であり、例えばポリテトラフルオロエチレン製である。
【００６３】
約２ｍから１０ｎｍである波長範囲内で波を誘導するのに適した実施形態によれば、円弧部の厚みｔは、約１μｍである。選定される材料は、例えば純シリカまたは軟質ガラスのようなできる限り透明なものであろう。
【００６４】
これらの全波長範囲に関して、ファイバは、積み重ねと線引きまたは加工と線引きによって得られてよい。
【００６５】
図５Ａおよび図５Ｂには、６つの小円弧部ＰＡおよび６つの大円弧部ＧＡからなる外縁を有する中空コアフォトニック結晶ファイバを示した。これらのファイバは、カゴメタイプの構造を備えている。この構造は、（特許文献３）および（特許文献２）の教示を用いて実現できるものである。
【００６６】
これらのファイバは、断面が環状のキャピラリを積み重ね、線引きして作製される。コアの外縁の輪郭は、材料のレオロジーパラメータ、温度、および線引き段階を実施した際のキャピラリどうしの差圧を最適にすることで得られる。
【００６７】
図５Ａでは、ファイバは、ｂ＝０．９でｔ＝８００ｎｍの外縁を有する。
【００６８】
図５Ｂでは、ファイバは、ｂ＝１でｔ＝１４００ｎｍの外縁を有する。
【００６９】
８００ｎｍから１２００ｎｍまでのスペクトル範囲で実施した測定から、ファイバは誘導の弱い帯域を示した状態で誘導することがわかり、この帯域は、コアでの導波モードと円弧部での導波モードとの間で共鳴する相互作用が原因である。グラフを見ればわかるように、伝送損失は、８００ｎｍから１２００ｎｍまでの波長に対して２０ｄＢ／ｋｍのレベルに下がる。比較すると、（非特許文献１）で説明されているファイバは、最大の円弧部に対して０．７５以下の曲率ｂを有し、最高でおよそ１８０ｄＢ／ｋｍの伝送損失が生じる。
【００７０】
したがって、コアの外縁を最適化し、かつ、さらに詳細には大円弧部の値ｂを最適化することで、伝送損失の確実な低減が起こる。
【００７１】
中空コア１８の外縁の曲率ｂのパラメータを最適化することで、カップリングの抑制を高めることができ、その結果、導波路の伝送損失を低減できる。曲率ｂのパラメータを最適化することで、とりわけレーザ出力を伝達できるクラッド内の屈折力の重なりを抜本的に低減することを実現できる。
【００７２】
本発明によるフォトニック結晶ファイバにより、低伝送損失、単一モードでの導波、および極めて高いレーザによる損傷閾値を合わせた導波を実現できる。
【００７３】
優先的にフォトニック結晶ファイバに適用したことを記載したが、本発明は、全体的に導波路に適用できるものである。ただし本発明は、さらに詳細には、カップリングを抑制してクラッドの構造と中空コアの外縁とを同時に最適にすることによって導波ファイバに適応される。
【００７４】
本発明に従って外縁を最適化した中空コアを有する、カップリングを抑制した導波路または導波ファイバは、以下の用途（全てを網羅していない）で使用できる：
−  レーザによる微細加工の分野、外科分野、細胞（がん細胞）治療の分野でのレーザ出力の伝達。
−  レーザパルス、特に多量のパルスの非線形効果による圧縮。
−  テラヘルツイメージング。
−  活性ガスを充填したコアを増幅媒質として使用するガスレーザ。
−  マイクロ波またはＴＨｚの範囲で行う単一モードかつ低伝送損失での導波。
−  コアにガスを充填した周波数校正。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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