(57)【要約】【課題】ＧＲモードによるピーク反射率を制御可能なフォトニック結晶層を有する構造体、それを用いた面発光レーザを提供する。【解決手段】フォトニック結晶層を有する構造体であって、前記フォトニック結晶層１０００は、第１の屈折率を有する材料からなる第１の部材１０１０に、周期的に配列された複数の孔１０１６を備え、前記複数の孔の内側に設けられた第２の屈折率を有する材料からなる第２の部材１０１５が、その中心位置を前記孔の中心位置に対し、前記フォトニック結晶層の面内方向にずらして配置されている。【選択図】            図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶層を有する構造体であって、
前記フォトニック結晶層は、第１の屈折率を有する材料からなる第１の部材に、周期的に配列された複数の孔を備え、
前記複数の孔の内側に設けられた第２の屈折率を有する材料からなる第２の部材が、その中心位置を前記孔の中心位置に対し、前記フォトニック結晶層の面内方向にずらして配置されていることを特徴とするフォトニック結晶層を有する構造体。
【請求項２】
前記フォトニック結晶層には、前記周期的に配列された複数の孔を形成している孔壁と、前記孔の内側に設けられた第２の部材とによって、
円環状及び矩形の環形状を含むリング状の間隙が周期的に配列されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶層を有する構造体。
【請求項３】
前記第１の部材における第１の屈折率と、前記第２の部材における第２の屈折率とが等しいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォトニック結晶層を有する構造体。
【請求項４】
前記第１及び第２の屈折率が、１．２以上、４．０以下であることを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶層を有する構造体。
【請求項５】
第１の反射ミラーと、活性層と、第２の反射ミラーを含み構成される面発光レーザにおいて、
前記第１の反射ミラーが請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶層を有する構造体を含み構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項６】
前記第１及び第２の反射ミラーと前記活性層が、ＧａＡｓ基板あるいはＧａＮ基板上に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶層を有する構造体、それを用いた面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フォトニック結晶を利用した光学素子に関する検討が多く報告されている。
非特許文献１では、図１０に示した形状のフォトニック結晶を用いて、ＧＲモード（ＧｕｉｄｅｄＲｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｍｏｄｅ）に関する検討がなされている。
ＧＲモードは、透過率スペクトルにおいて、その透過率が著しく変化する現象を通して把握され、放射モードとの結合が強いことが知られている。
【０００３】
図１０において、８０００はサファイア基板、８０５０はフォトニック結晶層（ＧａＮ８０１０に、細孔８０２０が周期的に形成されている。）、８０３０は核形成層（ＡｌＮ）である。
図１０に示すフォトニック結晶層に垂直に入射する入射光の波長を、ＧＲモードによって反射率が著しく増大する波長域に合わせると、つぎのような現象が生じる。
すなわち、フォトニック結晶に入射する光は、一般の反射ミラーへ入射した光と同じように反射されることになる。
そして、上記非特許文献１では、ＧＲモードがどのように変化するかをシミュレーションにより考察している。
すなわち、フォトニック結晶層８０５０（ＧａＮの屈折率は２．３７である。）に隣接するサファイア基板（屈折率１．８）の屈折率が変化する場合に、ＧＲモードがどのように変化するかをシミュレーションにより考察している（図１１（ａ））。
【非特許文献１】ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ，ｖｏｌ．１３，  Ｎｏ．１７，６５６４（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したＧＲモードにおいて、このＧＲモードによる反射率のピーク値は理論上ほぼ１００％に達することが知られている。
それを利用して、例えば垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）に使われている多層膜ミラー（ＤＢＲ）を一層もしくは数層のフォトニック結晶スラブで置き換えるというような応用例が考えられる。
このような構成において光出力を向上させるためには、光取り出し側ミラーの反射率を１００％以下に微調整して最適化することが必要となる。
【０００５】
しかしながら、ＧＲモードを利用したミラーの反射率のピーク値を、光損失を導入することなく制御する手法は、これまでのところ見出されていない。
なお、前述の非特許文献１中の計算結果（図１１（ａ））では、一見すると透過率のディップの深さ（つまり反射率のピークの高さ）が変化しているように見える。
しかし、これは計算の波長分解能が足りていないためにそう見えるだけである。我々の検討により、十分細かい波長分解能で計算を行なえば、反射率はほぼ１００％に達する（図１１（ｂ））ことから、それは反射率を１００％以下に制御するものでないことは明らかである。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、ＧＲモードによるピーク反射率を制御可能なフォトニック結晶層を有する構造体、それを用いた面発光レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、次のように構成したフォトニック結晶層を有する構造体、それを用いた面発光レーザを提供するものである。
本発明のフォトニック結晶層を有する構造体は、
前記フォトニック結晶層は、第１の屈折率を有する材料からなる第１の部材に、周期的に配列された複数の孔を備え、
前記複数の孔の内側に設けられた第２の屈折率を有する材料からなる第２の部材が、その中心位置を前記孔の中心位置に対し、前記フォトニック結晶層の面内方向にずらして配置されていることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶層を有する構造体は、前記フォトニック結晶層には、前記周期的に配列された複数の孔を形成している孔壁と、前記孔の内側に設けられた第２の部材とによって、
円環状及び矩形の環形状を含むリング状の間隙が周期的に配列されていることを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶層を有する構造体は、前記第１の部材における第１の屈折率と、前記第２の部材における第２の屈折率とが等しいことを特徴とする。
また、本発明のフォトニック結晶層を有する構造体は、前記第１及び第２の屈折率が、１．２以上、４．０以下であることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、第１の反射ミラーと、活性層と、第２の反射ミラーを含み構成される面発光レーザにおいて、
前記第１の反射ミラーが上記したいずれかに記載のフォトニック結晶層を有する構造体を含み構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１及び第２の反射ミラーと前記活性層が、ＧａＡｓ基板あるいはＧａＮ基板上に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＧＲモードによるピーク反射率を制御可能なフォトニック結晶層を有する構造体、それを用いた面発光レーザを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
［第１の実施形態］
つぎに本発明の実施の形態として、本発明を適用した第１の実施形態におけるフォトニック結晶層を有する構造体について説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態におけるフォトニック結晶層を有する構造体を説明する斜視図を示す。
図２に、本発明の第１の実施形態におけるフォトニック結晶層を有する構造体を説明する図として、図２（ａ）に上面図、図２（ｂ）に断面図を示す。
【００１０】
図１及び図２において、１０００は、第１の屈折率（ｎ１）を有する第１の材料からなる第１の部材（図２の１０１０）に、周期的に配列した複数の孔１０１６を設けて構成されるフォトニック結晶層である。
また、１０１５は第２の屈折率を有する材料からなる第２の部材であり、この第２の部材は、上記周期的に配列した複数の孔に設けられる。
複数の孔の内側に設けられた第２の部材は、その中心位置を前記孔の中心位置に対し、前記フォトニック結晶層の面内方向にずらして配置される。
また、１０２０は、該フォトニック結晶層１０００に隣接し、該第１の屈折率よりも低い屈折率を有する材料からなる低屈折率層である。クラッド層と呼ばれる場合もある。
【００１１】
本実施形態に係る構造体においては、図１に記載した、フォトニック結晶層１０００の厚さ方向に入射する光を反射するように、当該入射光の波長に対して、ＧＲモードを生じるように設計される。斯かる場合、フォトニック結晶層１０００に入射した光は、一旦、フォトニック結晶層内を伝播するが、放射モードとの結合が強いために、外部に放射され、結果としてミラーとして機能する。
【００１２】
図３に、孔（外側の円）の中心位置と第２の部材（内側の円）の中心位置を、フォトニック結晶層の面内方向であるｘ方向およびｙ方向にずらした場合の反射スペクトル計算結果を示す。
ｘ方向およびｙ方向にずらした距離をそれぞれΔｘ、Δｙで表した。
層の厚さは５００ｎｍ、孔の間隔は５００ｎｍ、リング形状の孔の外側の円の直径（外径）は４００ｎｍ、内側の円の直径（内径）は２００ｎｍ、孔の深さは５００ｎｍである。スラブおよび内側の円の屈折率を３．５とし、周囲の屈折率を１．０として計算した。
【００１３】
図３（ａ）から、位置ずれがない場合は反射率ピーク値はほぼ１００％に達することが確かめられるが、中心位置がずれるにしたがって反射率ピーク値が小さくなっていく。
なお、中心位置のずれ（ΔｘおよびΔｙ）が大きくなるにつれて、反射率ピーク値が低下するだけでなく波長もわずかにシフトする。
例えば、図３（ａ）に比べて図３（ｅ）ではピーク波長が約２ｎｍ（ピーク波長に対して約０．２％）長波長側にずれている。
設計を行なう際に波長ずれを補償する必要がある場合には、格子定数などを微調整することで反射ピーク波長を任意に調整することができる。
具体的には、例えば格子定数を０．２％短くすることで反射ピーク波長を約０．２％短波長側にシフトさせることができる。
中心位置をずらすことによって反射率ピーク値が小さくなる原因は、構造の対称性（反転対称性もしくは回転対称性）が崩れることによる影響だと考えられる。ただし、一般に、対称性を崩しても必ずしも反射率制御に結びつくとは限らない。
これを説明するための一例として、図４に、三角形状の孔が正方格子状に並んだフォトニック結晶に厚さ方向に（面に垂直方向に）光を入射した場合の反射スペクトル計算結果を示す。
（ａ´）、（ｂ´）、（ｃ´）はそれぞれフォトニック結晶構造の単位構造を示しており、孔のｘ軸方向の大きさは一定でｙ軸方向の大きさが異なっている。
（ｂ´）は正三角形、（ａ´）および（ｃ´）は二等辺三角形の孔である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ（ａ´）、（ｂ´）、（ｃ´）に示した構造の計算結果である。
層の厚さは５００ｎｍ、孔の間隔は５００ｎｍ、孔の深さは５００ｎｍである。スラブおよび内側の円の屈折率を３．５とし、周囲の屈折率を１．０として計算した。入射光は、電場の振動方向がｘ軸に並行な偏光を持つとする。
以上のように、孔の対称性を崩した場合でも、必ずしも反射率ピーク値を下げることができるとは限らないということが分かる。
【００１４】
なお、図３に示した計算においてはΔｘ＝Δｙとしたので反射率に偏光依存性は見られないが、Δｘ≠Δｙとすることで偏光特性を制御することも可能である。
図１２にその一例を示す。図１２（ａ）および（ｂ）にΔｘ＝Δｙ＝２０ｎｍ、図１２（ｃ）および（ｄ）にΔｘ＝３０ｎｍ、Δｙ＝１０ｎｍ、図１２（ｅ）および（ｆ）にΔｘ＝４０ｎｍ、Δｙ＝１０ｎｍとした場合の反射スペクトル計算結果を示す。
図１２（ａ）（ｃ）（ｅ）がｘ方向、図１２（ｂ）（ｄ）（ｆ）がｙ方向に偏光した平面波を入射した場合の反射スペクトルである。
Δｘ＝Δｙの場合（図１２（ａ），（ｂ））は偏光方向によるスペクトルの違いは見られない。
しかし、Δｘ≠Δｙの場合（図１２（ｃ）〜（ｆ））では明らかな偏光依存性が見られ、ΔｘとΔｙの違いが大きいほどその偏光依存性も大きくなることが確認される。
【００１５】
つぎに、フォトニック結晶層を有する構造体における上記した第１の部材、第２の部材、等について説明する。
第１の屈折率ｎ１を有する材料からなる第１の部材と第２の屈折率ｎ２を有する材料からなる第２の部材は、必ずしも同じ屈折率とする必要はないが、例えば、その屈折率を１．２以上、４．０以下の範囲で、同じ屈折率とすることができる。具体的な材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＧａＮ、ＡｌｘＧａ１  −ｘＮ、ＩｎＰなどである。
【００１６】
孔および第２の部材の断面形状は円、四角などである。前述のリング状には、円環状、あるいは矩形の環形状という概念も含まれる。
孔は周期的に配列されており、その配列の仕方は三角格子や四角格子を選択することができる。
これにより、上記フォトニック結晶層には、前記周期的に配列された複数の孔を形成している孔壁と、前記孔の内側に設けられた第２の部材とによって、円環状及び矩形の環形状を含むリング状の間隙が周期的に配列された構成とすることができる。
図１３に円環状および矩形の環形状の間隙の一例を示す。１３１６が孔、１３１５が第２の部材に相当する。
第１の部材の厚さｔは、光の導波モードや、作製条件等を考慮して決定される。例えば、１０ｎｍから１０μｍの範囲である。
【００１７】
［第２の実施形態］
第２の実施形態として、本発明のフォトニック結晶層を有する構造体を用いた面発光レーザについて説明する。
図５に、本実施形態における垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の断面模式図を示す。
図５において、５０５０は基板、５０００は下部反射ミラー（例えば、多層膜ミラーからなる。）、１０２１は下部クラッド層、５９００は活性層、５０２０は上部クラッド層である。
１０１０は、フォトニック結晶層１０００を構成する第１の部材である。
なお、フォトニック結晶層１０００に関しては、第１の実施形態で説明される技術事項が適用される。
【００１８】
本実施形態における上部クラッド層５０２０は、第１の実施形態における低屈折率層１０２０に対応する。
つまり、クラッド層５０２０は、活性層５９００に対する上部クラッド層としての役割と、フォトニック結晶層１０００に対する低屈折率層の役割を兼ねている。
本実施形態における垂直共振器型面発光レーザにおいては、活性層５９００において発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。
そして、活性層における発光波長は、活性層の材料や層構成により決まるので、フォトニック結晶層（上部反射ミラーとして作用する。）におけるＧＲモードが、当該発光波長に対応するように設計する必要がある。
【００１９】
このように、本実施形態では、上記実施形態１において説明したフォトニック結晶１０００を、図５のように、下部反射ミラー５０００に対向して配置される上部反射ミラーとして用いることで、垂直共振器型面発光レーザを実現できる。なお、下部反射ミラーは、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／Ａｌｘ´Ｇａ１−ｘ´Ａｓ、ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ／Ｉｎｘ´Ｇａ１−ｘ´Ａｓｙ´Ｐ１−ｙ´などの多層膜ミラーを用いる。勿論、第１の実施形態に示すようなフォトニック結晶を適用することもできる。
【００２０】
つぎに、本実施形態の垂直共振器型面発光レーザにおける活性層、クラッド層、基板、等について説明する。
活性層５９００は、例えばＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮなどの材料を用いた多重量子井戸構造である。
クラッド層１０２１は、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＮなどである。
基板５０５０は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮなどで構成されている。
本実施形態に係る面発光レーザにおいては、光励起方式、あるいは電流注入方式により駆動することができる。同図においては、電極等は省略している。
なお、上述したシミュレーションは、文献Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，Ｖｏｌ．６８，１５５１０１（２００３）に記載の転送行列法を用いて行っている。
【実施例】
【００２１】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、本発明を適用して構成した２次元フォトニック結晶ミラーについて説明する。
図６に、本実施例における２次元フォトニック結晶ミラーを説明する概略図を示す。
図６において、１０００はＧａＮからなる層にリング形状の孔を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
層の厚さは１７５ｎｍ、孔の間隔は１７５ｎｍ、リング形状の孔の外側の円の直径（外径）は１５７ｎｍ、内側の円の直径（内径）は１４３ｎｍ、孔の深さは１７５ｎｍである。
また、１０２０はＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎからなる基板である。このように、本実施例においては、第１の部材と第２の部材の構成材料は同じにしている。
すなわち、第１の屈折率（ｎ１）＝第２の屈折率（ｎ２）とされている。
また、外側の円の中心位置と内側の円の中心位置を、フォトニック結晶層の面内方向であるｘ方向およびｙ方向に１ｎｍずつずらした構成になっている。
【００２２】
図７に、本発明の実施例１における２次元フォトニック結晶ミラーの反射スペクトルを説明するグラフを示す。
図７（ｂ）は、図６の構成の反射スペクトル計算結果を示すものである。
ＧａＮの屈折率は２．５４、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの屈折率は２．３２として計算している。
また、計算の都合上、基板１０２０の厚さは無限であると仮定する。反射率のピーク値は約８０％である。
比較のため、図７（ａ）に内側の円の中心と外側の円の中心が一致する場合（つまりΔｘ＝Δｙ＝０ｎｍ）、図７（ｃ）にｘ方向およびｙ方向に２ｎｍずつずらした場合（Δｘ＝Δｙ＝２ｎｍ）の計算結果を示す。
中心位置が一致する場合には反射率ピーク値はほぼ１００％に達するが、ずれが大きくなるにしたがって反射率のピーク値が小さくなることが確かめられる。
【００２３】
［実施例２］
実施例２では、本発明を適用して構成した垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）について説明する。
ＶＣＳＥＬは一般的には、第１の反射ミラーと、活性層と、第２の反射ミラーを含み構成される。
第１の反射ミラーや第２に反射ミラーは、半導体多層膜ミラーや誘電体ミラーなどのＤＢＲミラーにより構成される。本実施例においては、第１の反射ミラーと第２の反射ミラーの少なくとも一方に、既述のフォトニック結晶層を有する構造体を利用する。
図８に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を説明する概略図を示す。
図８において、１０００はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる層に孔１０１６を正方格子状に設けて構成されたフォトニック結晶層である。
層の厚さは２１７ｎｍ、孔の間隔は２１７ｎｍ、孔の外径は８７ｎｍ、内径は４３ｎｍ、孔の深さは２１７ｎｍである。
内側の円の中心と外側の円の中心はｘ方向およびｙ方向にそれぞれ１．７５ｎｍずれている（Δｘ＝Δｙ＝１．７５ｎｍ）。
１０２０はＡｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ低屈折率層、５０２０はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、５９００はＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層である。
１０２１はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、５０００はｎ型Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ−ＤＢＲからなる下部ミラー層である。５０５０はＧａＡｓ基板あるいはＧａＮ基板であり、１２００はリング型の上部電極、１２１０は下部電極である。
本実施例の垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、これらのＧａＡｓ基板あるいはＧａＮ基板上に、上記フォトニック結晶層により構成されている上部ミラー層及び下部ミラー層と前記活性層が設けられて構成されている。
【００２４】
図９に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を構成するフォトニック結晶ミラーの反射スペクトルを説明するグラフを示す。
この図９中のグラフには、フォトニック結晶層の反射スペクトル計算結果が示されている。
波長６８０ｎｍ付近で高い反射率を有したミラーとして動作し、そのピーク反射率はおよそ９９．３％であることが確認される。
下部ミラー層５０００も同様に波長６８０ｎｍ付近で高い反射率を持つように設計されている。
また、フォトニック結晶層１０００と下部ミラー層５０００との間隔で決まる共振器長は、共振器中で形成される定在波の腹が活性層５９００に重なるような長さに設計されている。
これらは、面発光レーザを設計する際に一般に使われる手法をそのまま適用することができる。
以上の構成により、活性層５９００で発生する光を上下のミラーで共振させ、増幅することによりレーザ発振が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるフォトニック結晶層を有する構造体を説明する斜視図。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるフォトニック結晶層を有する構造体を説明する図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態を説明する孔（外側の円）の中心位置と第２の部材（内側の円）の中心位置をｘ方向およびｙ方向にずらした場合の反射スペクトル計算結果を示すグラフ。
【図４】本発明の第１の実施形態を説明する反射スペクトルを示すグラフ。
【図５】本発明の第２の実施形態における垂直共振器型面発光レーザの断面模式図。
【図６】本発明の実施例１における２次元フォトニック結晶ミラーを説明する概略図。
【図７】本発明の実施例１における２次元フォトニック結晶ミラーの反射スペクトルを示すグラフ。
【図８】本発明の実施例２における垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を説明する概略図。
【図９】本発明の実施例２における垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を構成するフォトニック結晶ミラーの反射スペクトルを示すグラフ。
【図１０】非特許文献１に記載のフォトニック結晶の断面図。
【図１１】非特許文献１におけるフォトニック結晶の透過スペクトルを示す図。
【図１２】本発明の第１の実施形態を説明する反射スペクトルを示すグラフ。
【図１３】本発明の第１の実施形態におけるリング状の間隙を説明する図。
【符号の説明】
【００２６】
１０００：フォトニック結晶層
１０１０：第１の部材
１０１５：第２の部材
１０１６：孔
１０２０：低屈折率層
１０２１：下部クラッド層
５０００：下部反射ミラー
５０２０：上部クラッド層
５０５０：基板
５９００：活性層
８０００：サファイア基板
８０５０：フォトニック結晶層
【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】
2008288557.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2008288557.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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