(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心光軸を有し、前記中心光軸に沿って入射する入力光を変調するために動作波長においてブロッホ表面プラズモン(ＢＳＰ)効果を用いる、光変調器において、
表面及び、前記表面に垂直で前記光軸に実質的に合わせられた、中心軸を有する誘電率変調(Ｐ-Ｍ)格子であって、前記格子の表面を定め、変調された誘電率を定める、金属区画及び／または金属区画と誘電体区画の周期配列を有する、Ｐ-Ｍ格子、及び
第１及び第２の電気光学(ＥＯ)基板であって、それぞれが印加電圧に応答して変化し得る屈折率を有し、前記Ｐ-Ｍ格子を挟み込んで前記ＥＯ基板の少なくとも一方に前記印加電圧がかけられたときと、前記ＥＯ基板のいずれにも前記印加電圧がかけられていないときとのいずれか一方において、前記動作波長において前記ＢＳＰを励起する構成を形成するように、前記光軸に沿って配置される、第１及び第２のＥＯ基板、
を備えることを特徴とする光変調器。
【請求項２】
前記Ｐ-Ｍ格子が、
(ａ)前記周期配列が一次元であるように配向されたストリップの形態にある、交互する金属区画及び誘電体区画、
(ｂ)前記周期配列が二次元であるように構成された金属区画及び誘電体区画、
(ｃ)相異なる誘電率を有する第１及び第２の金属を含み、前記周期配列が一次元であるように配向された、第１及び第２の金属ストリップ、及び
(ｄ)相異なる誘電率を有する第１及び第２の金属を含み、前記周期配列が二次元であるような、第１及び第２の金属区画、
の内の１つを有することを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
【請求項３】
前記印加電圧を発生するように適合され、前記第１及び第２のＥＯ基板の少なくとも１つの上に動作可能な態様で配置された電極を介して前記ＥＯ基板の少なくとも１つに電気的に結合された、電圧源をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の光変調器。
【請求項４】
前記第１及び第２のＥＯ基板が前記光軸に実質的に垂直な表面を有し、前記Ｐ-Ｍ格子が前記第１及び第２のＥＯ基板表面の１つの上に形成されることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の光変調器。
【請求項５】
前記光軸に沿って前記第１及び第２のＥＯ基板の少なくとも１つに光結合された少なくとも１つの導波路をさらに備えることを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の光変調器。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００８年８月１５日に出願された、名称を「表面プラズモン型光変調器(Surface-Plasmon-Based Optical Modulator)」とする、米国仮特許出願第６１/１８９１００号の恩典と、その優先権を主張する。この特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、全般的には光変調器に関し、特に表面プラズモン効果に基づく光変調器に関する。
【背景技術】
【０００３】
光変調器は、通常は搬送光信号上に情報を載せる高速態様で、光ビームの強度を変えるために様々な光システムにおいて用いられる。光ファイバを用いる光遠距離通信システムのような、導波路ベースの光システムにおいて、光変調器は導波路によって導かれる光に情報をエンコードするために用いられる。光変調器の他の応用には、論理動作を行うため及び、光ビームに情報を載せる必要なしに光を選択的に遮断するかまたは透過させる、光ゲートとしてはたらくための、高速スイッチとしての用法がある。
【０００４】
現在技術的に最も優れている光変調器は一般に電気光学(ＥＯ)型または電気吸収(ＥＡ)型の光変調器である。ＥＯ変調器は１次電気光学(ポッケルス)効果に基づき、ＥＡ変調器ではフランツ・ケルディッシュ効果または多重量子井戸ヘテロ構造における量子閉込めシュタルク効果が利用される。ＥＯ変調器では一般に、集積光デバイス及びシステムを作成する標準方法(例えば、Ｔｉインディフュージョン、プロトン交換、等)を用いてＥＯ材料(通常はニオブ酸リチウム)につくり込まれたマッハ・ツェンダー干渉計(ＭＺＩ)が用いられる。残念ながら、ＭＺＩは光ファイバの外部にあるから、ＭＺＩと導波路の結合により望ましくない光信号減衰がおこる。また、減衰プロセスには、光ビームを２本の光ビームに分割して、光ビームに相対位相を与え、次いで光ビームを妨害する過程が関わる。これはかえってシステム及びプロセスを複雑にする。
【０００５】
ＥＡ変調器は、逆に、１チップ上でレーザと集積することができる。しかし、ＥＡ変調器の消光比(すなわち論理‘１’及び‘０’に対応するパワーレベルの比)は一般に〜１０ｄＢと比較的低い。現在用いられているＥＡＭ(ＥＡ変調器)は嵩が大きく、材料が異なるシステム及び／またはデバイスとの集積化は簡単なことではない。
【０００６】
表面プラズモンの使用に依存しようとしているファイバ光変調器がある。表面プラズモン(ＳＰ)は、いくつかの条件が満たされた場合に、金属層と(空気とすることができる)誘電体層の間の界面で進行する電磁波である。ＳＰ光変調器は誘導光波で搬送されるパワーを選択的にＳＰに変換する構造を利用する。ＳＰに変換されるパワーの量を選択的に変えることにより、誘導光波が選択的に減衰されて所要のアナログ変調またはデジタル変調が達成される。
【０００７】
今日まで、ＳＰファイバ光変調器は、特定の金属-誘電体構造への横方向での(すなわちファイバ軸に平行な)光結合に依存して、ＳＰを励起するに必要な条件を達成している。例えば、一例において、導波路の伝搬モードと導波路外部の金属-誘電体界面によってサポートされるプラズモンモードのエバネッセント波結合によって、光強度変調が達成される。他の手法では、プリズムまたは格子を用いてＳＰを励起するための斜め入射角を得ている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様は、中心光軸を有し、印加電圧がかけられているときに動作波長におけるブロッホ表面プラズモン(ＢＳＰ)効果を用いて入力光を変調する、光変調器である。光変調器は、表面及び、表面に垂直で光軸に実質的に合わせられた、中心軸を有する誘電率変調(Ｐ-Ｍ)格子を備える。Ｐ-Ｍ格子は、格子面を定め、変調誘電率を定める、金属区画及び／または金属区画と誘電体区画の周期配列を有する。光変調器は、それぞれの屈折率が印加電圧に応答して変わり得る、第１及び第２のＥＯ基板も備える。第１及び第２のＥＯ基板は、Ｐ-Ｍ格子を挟み込み、ＥＯ基板の少なくとも１つの上に動作可能な態様で配置された電極を介してＥＯ基板の少なくとも１つに印加電圧がかけられたときにＢＳＰをサポートする構成を形成するように、光軸に沿って配置される。
【０００９】
本発明の第２の態様は、中心軸を有し、印加電圧がかけられているときに動作波長におけるＢＳＰ効果を用いて入力光を変調する、光変調器である。光変調器は、実質的に平行な第１及び第２の表面を有し、屈折率が印加電圧に応答して変わり得る、ＥＯ基板を備える。光変調器は、ＥＯ基板を挟み込んで、ＥＯ基板上に動作可能な態様で配置された電極を介してＥＯ基板に印加電圧がかけられたときに第１及び第２のＢＳＰのそれぞれをサポートする第１及び第２の基板-格子インターフェースを形成するように配置された、第１及び第２のＰ-Ｍ格子も備える。光変調器は、それぞれがＥＯ基板とは逆の側で第１及び第２のＰ-Ｍ格子に直に接して配置された、第１及び第２の誘電体基板も備える。
【００１０】
本発明の第３の態様は、変調出力光を形成するためにＢＳＰ効果を用いて入力光を変調する方法である。方法は動作波長を定める少なくとも１つのＰ-Ｍ格子を提供する工程を含む。方法は少なくとも１つのＰ-Ｍ格子を、少なくとも１つのＢＳＰをサポートできる少なくとも１つの格子-基板インターフェースを形成するように、印加電圧がかけられたときに屈折率が変わり得る少なくとも１つのＥＯ基板とインターフェースさせる工程も含む。方法はさらに、動作波長において少なくとも１つのＢＳＰをサポートできる少なくとも１つの格子-基板界面の能力を変え、よって入力光を選択的に減衰させて変調出力光を形成するように、少なくとも１つのＥＯ基板への印加電圧を変えながら、入力光に少なくとも１つの格子-基板界面を通過させる工程を含む。
【００１１】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を、また添付図面も、含む本明細書に説明されるように本発明を実施することで認められるであろう。
【００１２】
上記の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも、本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、既述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、一次元Ｐ-Ｍ格子を用いる、ブロッホ表面プラズモン型光変調器(ＢＳＰＯ変調器)の第１の実施形態例の簡略な斜視図である。
【図２】図２は、図１のＢＳＰＯ変調器に用いるための、一次元Ｐ-Ｍ格子の一実施形態例の拡大斜視図である。
【図３】図３は、導波路のＢＳＰＯ変調器とのインターフェースまたはそうではなくとも動作可能な態様での接続を容易にするように構成されたハウジング内にＢＳＰＯ変調器が保持される、一実施形態例の簡略な破断側面図である。
【図４】図４は、図３のハウジングを示し、ハウジングのコネクタ端面に接続されるコネクタ付光ファイバを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、相異なる２つの屈折率ｎ＝２.１及び２.２を生じさせる相異なる２つの印加電圧(Ｖ３０)の値に対する、図１のＢＰＳＯ変調器についての波長λ(ｎｍ)の関数としての入力光の透過率Ｔ(ｄＢ)の「スイッチング曲線」のグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａと同様であるが、金属ストリップでの損失がより大きく、ＥＯ基板の屈折率ｎの変化がより小さい、現実的な場合の、スイッチング曲線のグラフである(中間スイッチング曲線ＣＩも示される)。
【図６Ａ】図６Ａは、薄膜金属-誘電体構造上のＢＳＰの励起に関する解析モデルを用いる多重パラメータ最適化計算に基づく、図１のＢＳＰＯ変調器例についてのシミュレーションによる格子厚ＴＧ(Ｙ軸)及び格子周期Λ(Ｘ軸)に対する透過率Ｔ(dＢ)のグレイスケール表示のグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、薄膜金属-誘電体構造上のＢＳＰの励起に関する解析モデルを用いる多重パラメータ最適化計算に基づく、図１のＢＳＰＯ変調器例についてのシミュレーションによる格子厚ＴＧ(Ｙ軸)及び格子周期Λ(Ｘ軸)に対する透過率Ｔ(dＢ)のグレイスケール表示のグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、図１と同様であるがＥＯ基板によって隔てられた２つの一次元Ｐ-Ｍ格子を用いる、ＢＳＰＯ変調器の別の実施形態例の簡略な側面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａと同様であるがＥＯ基板の側面に不透明電極が配置されている、実施形態例を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、相異なる(シミュレーションによる)印加電圧によって生じさせた多くの相異なる屈折率ｎに対する、図７Ａ及び７Ｂの２格子ＢＳＰＯ変調器の実施形態例についての透過率Ｔ(ｄＢ)対波長λ(ｎｍ)のシミュレーションによるスイッチング曲線を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、厚さＴ３０が相異なる(Ｔ３０＝５０ｎｍ，１００ｎｍ及び１５０ｎｍ)ＥＯ基板が２つの格子の間にあることを除き、図８Ａと同様である。
【図９】図９は、金属区画及び誘電体区画で構成され、偏光不感ＢＳＰＯ変調器を形成するために用いられる、二次元Ｐ-Ｍ格子の上面図である。
【図１０】図１０は、図５Ａのグラフと同様であるが、図９の二次元格子を備える図１のＢＳＰＯ変調器についての、透過率Ｔ(ｄＢ)対波長λ(ｎｍ)のグラフのスイッチング曲線Ｃ１及びＣ２を示す。
【図１１】図１１は本発明のＢＳＰＯ変調器を用いてレーザ源からの光を変調する光システムの一実施形態例の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、当業者にはその説明から明らかであろうし、特許請求の範囲及び添付図面を含め、以下の記述で説明されるように本発明を実施することで認められるであろう。
【００１５】
その例が添付図面に示される本発明の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。図面は必ずしも比例尺で描かれてはいない。可能であれば必ず、全図面を通して、同じかまたは同様の参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本明細書に開示される実施形態が例に過ぎず、それぞれに本発明のいくつかの利点が組み込まれていることは当然である。
【００１６】
本発明の範囲内において様々な改変及び変更を以下の例になすことができ、様々な例の態様を様々な形で混ぜ合わせてまた別の例を得ることができる。したがって、本発明の真の範囲は、本明細書に説明される実施形態の観点において、ただしそれには限定されずに、本開示の全体から理解されるべきである。
【００１７】
本発明は、Journal of the Optical Society of America (JOSA) B，２００８年，第２５巻(刊行物)に発表され、http://josab.osa.org/upcoming.cfmから入手できる、エイ・コビヤコフ(A. Kobyakov)等の、名称を「シリコン基板及びガラス基板上のプレーナ型２金属格子における基本及び高次ブロッホ表面プラズモン(Fundamental and higher-order Bloch surface Plasmon in planar bi-metallic gratings on silicon and glass substrates)」とする論文、及び、エイ・コビヤコフ等の、名称を「光の一次元ナノプラズモン構造との相互作用に対する半解析的方法(Semi-analytical method for light interaction with 1D nano-plasmonic structures)」とする、Optics Express，２００８年６月９日，第１６巻，第１２号，ｐ.８９３８〜５７の論文に説明されるような、ＢＳＰの励起の効果を利用する。上記論文はいずれも本明細書に参照として含まれる。
【００１８】
定義
「水平(横)」、「垂直(縦)」、「前」、「後」、「入力」、「出力」、「内」、「外」、等のような語句及びデカルト座標の使用は、図面を参照するため及び説明を容易にするために用いられ、説明または特許請求の範囲において絶対的な方位及び／または方向として厳密に限定することは目的とされていない。用語「導波路」は「光導波路」を意味し、光ファイバには限定されないが、本発明は光ファイバの形態の光導波路に特に良く適する。記号「〜」は「ほぼ」を意味する略号として以下で用いられる。
【００１９】
一次元Ｐ-Ｍ格子を１つ備えるＢＳＰＯ変調器
図１は、中心光軸Ａ１，入力側１２Ｉ及び出力側１２Ｏを有するブロッホ表面プラズモン型光変調器(ＢＰＳＯ変調器)１０の一実施形態例の簡略な斜視図である。参照のためにデカルト座標が示されている。末端７２及びコア領域(コア)７３を有する導波路７０とインターフェースされたＢＰＳＯ変調器１０が示されている。説明のため、導波路７０は以下で詳細に説明されるようにそれぞれが出力光１００Ｉ及び(変調された)出力光１００Ｏを伝送する入力導波路７０Ｉ及び出力導波路７０Ｏとして識別され、いくつかの場合にはそのように称される。図１において、コア７３を囲むクラッド領域(クラッド)７４は、クラッドを囲むバッファ層(図３を見よ)と同様に、図示を容易にするため、省かれている。
【００２０】
ＢＳＰＯ変調器１０は、上面２２及び下面２４を有する、誘電率変調周期平面格子(Ｐ-Ｍ格子)２０を備える。Ｐ-Ｍ格子２０は、それぞれが実質的に平行な表面３２を有する２枚の電気光学(ＥＯ)基板３０により、光軸Ａ１に沿って、挟み込まれる。一実施形態例において、表面３２は波形を付けることができるが、波形の大きさはＥＯ基板３０の寸法よりかなり小さいから、表面はそれでも全体として実質的に平坦であり、互いに平行である。ＥＯ基板３０は、ＢＳＰＯ変調器内で光軸Ａ１に実質的に垂直に配置される。ＥＯ基板３０は以下で非常に詳細に説明される。
【００２１】
図２を参照すれば、一実施形態例において、Ｐ-Ｍ格子２０は、Ｘ方向に配向され、Ｙ方向で周期的に変化するように示される、それぞれの幅がＷＭ及びＷＤの金属区画(ストライプ)２６Ｍ及び誘電体区画(ストライプ)２６Ｄの周期的配列を有する金属-誘電体格子の形態にある。この構成は、「一次元」格子または１Ｄ格子と称される。Ｐ-Ｍ格子２０は、厚さＴＧ，長さＬＧ及び幅ＷＧを有する。一実施形態例において、ＬＧ＝ＷＧである。Ｐ-Ｍ格子２０は表面２２及び表面２２に垂直な中心軸Ａ２を有する。
【００２２】
一実施形態例において、格子厚ＴＧは５０ｎｍから２５０ｎｍの範囲にある。また一実施形態例において、ＬＧ＝ＷＧ〜１０μｍ及びＴＧ〜１００ｎｍである。したがって、ＢＳＰＯ変調器１０は一般的な導波路コア７３の程度、例えば〜１０μｍ×１０μｍ、の断面寸法(例えば直径)を有することができる。そのような寸法により、光導波路、特に光ファイバとの結合及びパッケージ封入に対して利点を提供する、小フォームファクターをＢＳＰＯ変調器１０が有することが可能になる。より大きなＰ-Ｍ格子２０を形成して、大有効面積を有する光ファイバ(すなわち、いわゆる「大有効面積ファイバ」)７０Ｉ及び７０Ｏのような、より大きなファイバコアとともに使用するための、より大きなＢＳＰＯ変調器１０を作成するために用いることができる。
【００２３】
動作波長λＯにおいて、金属ストリップ２６Ｍは低損失を有し、ＢＳＰの励起に適するように、有限で負の誘電率εを有することが好ましい。金属ストリップ２６Ｍの形成に最も適する金属の例には、それぞれが低損失であることから、金、銀及び銅が含まれる。誘電体ストリップ２６Ｄの屈折率ｎＤは大きく変わることができる。例えば、誘電体ストリップ２６ＤはＥＯ基板３０の作成に用いられるＥＯ材料と同じ材料で形成することができるが、別の例において、誘電体ストリップは空気とすることができる。
【００２４】
別の実施形態例において、格子２０の誘電体ストリップ２６Ｄが金属ストリップ２６Ｍの誘電率(ε１)とは異なる誘電率(ε２)を有する金属ストリップ２６Ｍ'で置き換えられた、２金属Ｐ-Ｍ格子２０の使用によって、ｎＤが負にされる。例えば、可視波長における金及び銀のような、いくらかの波長範囲において光学的に異なる２つの金属の交互するストリップ２６Ｍ及び２６Ｍ'によって、必要な誘電率変調が達成される。ストリップ２６Ｍ及び２６Ｍ'のための金属の例には、例えば、金及び銀がある。２金属Ｐ-Ｍ格子２０の作成のための別の選択肢には、金属ストリップの実効誘電率を改変するための幾何学的構造形成及び規定された実効誘電率を有する合金または金属-誘電体複合材料の使用がある。誘電率の周期変調は、一方または両方の金属区画表面に波形を付けることによっても達成することができる。
【００２５】
Ｐ-Ｍ格子２０はＢＳＰＯ変調器１０の所望の動作波長λＯを定める(選択する)周期Λを有する。一実施形態例において、動作波長λＯは１５５０ｎｍのＣバンド遠距離通信波長またはその近傍に選ばれる。別の実施形態例において、動作波長λＯは１３００ｎｍまたはその近傍に、あるいは８５０ｎｍまたはその近傍に、選ばれる。ＢＳＰＯ変調器１０は、光周波数が高くなるほど金属における損失が低くなるため、後者の波長においてさらに高効率で動作するであろうと考えられる。
【００２６】
一実施形態例において、格子厚ＴＧは約１００ｎｍであり、それぞれのＥＯ基板に対するＥＯ基板厚Ｔ３０(図３)は、ＢＳＰの適切な局在化を保証するため、約４００ｎｍより厚い。
【００２７】
一実施形態において、デューティサイクルＤ＝ＷＤ/Λ＜１/２である。一実施形態において、発明者等によるコンピュータシミュレーションで決定されたように、Ｄは約０.２であることが好ましい。しかし、デューティサイクルＤのさらなる最適化がＢＳＰＯ変調器１０についての特定の用途及び関連設計パラメータに基づいてなされ得ることが当業者には当然であろう。
【００２８】
好ましい実施形態において、Ｐ-Ｍ格子２０は通常の被着手法を用いてＥＯ基板の一方の表面３２上に直接形成される。例えば、特定のＥＯ基板表面３２が初めに金属層で被覆される。次いでフォトレジストが金属層に重ねて被着され、誘電体領域の場所を定めるため、(例えばフォトリソグラフィ露光を用いて)パターニングされる。露光されたフォトレジストは次いで現像され、構造がエッチングされて露出した金属が除去される。空気または別の誘電体材料(例えばシリカ)を金属ストリップ２６Ｍの間に選択的に配するかまたは被着して誘電体ストリップ２６Ｄを形成することができる。金属ストリップ２６Ｍを覆う残りのフォトレジストが次いで除去される。ＥＯ基板表面３２に波形を付け、次いで波形表面上に(１つまたは複数の)金属膜を形成することによって、波形が付けられた金属区画２６Ｍ及び／または２６Ｍ'を形成することができる。
【００２９】
図１を再び参照すれば、ＥＯ基板３０はＥＯ材料でつくられる。ＥＯ基板３０のためのＥＯ材料の例には、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム及びニオブ酸ストロンチウムバリウムがある。ＥＯ基板３０は、用いられる特定の材料に対してそれぞれの結晶方位が最大のＥＯ係数を与えるように、形成されることが好ましい。
【００３０】
ＥＯ基板３０は電気配線６２によって電圧源６０に電気的に接続される。電極６４(図３及び図７も見よ)が基板上に形成され、必要な電気接続を与えるためにはたらく。図７Ａに示される一実施形態例において、Ａ１軸に沿いＥＯ基板３０にかけて印加電圧Ｖ３０を与えるために透明電極６４が用いられる。この例において、電極６４間のＥＯ材料の厚さＴ３０が薄いことから、用いられるべき電圧を小さく(例えば５Ｖから１０Ｖに)することができ、この結果、高速スイッチングが可能になる。透明電極６４は、例えば、スズドープ酸化インジウム、フッ素ドープ酸化スズまたはドープト酸化亜鉛のような、多くの透明導電膜のいずれかで形成することができる。これらの金属酸化物でつくられた透明導電膜は通常、ガラスまたはセラミックの基板上に形成される。透明導電膜を形成する既知の方法には、化学的気相成長(ＣＶＤ)法(例えば、プラズマＣＶＤ法及び光ＣＶＤ法)、物理的気相成長(ＰＶＤ)法(例えば、真空蒸着法、イオンプレーティング法及びスパッタリング法)及び様々なコーティング法がある。
【００３１】
図１及び図３に示されるような実施形態例とは別の実施形態例において、電極６４は、電圧Ｖ３０が光軸Ａ１にかかるように、ＥＯ基板３０の側面に設けられる。この場合、さらに高い電圧(例えば５０Ｖから７０Ｖ，一般に＜１００Ｖ)が必要になり、このためスイッチング速度が若干遅くなる。スイッチングの速度及び効率を最適化するため、印加電圧Ｖ３０はいずれのＥＯ基板３０にも与えられる。ＥＯ係数がニオブ酸リチウム(ｒ３３＝３１ｐｍ/Ｖ)より大きいチタン酸バリウムＢａＴｉＯ３(ｒ３３＝９７ｐｍ/Ｖ，ｒ４２＝１６４０ｐｍ/Ｖ)またはニオブ酸ストロンチウムバリウム(ｒ３３＝２２４ｐｍ/Ｖ)のような材料を用いれば、必要な印加電圧Ｖ３０を低くすることができる。さらにＰ-Ｍ格子２０を最適化することで、印加電圧Ｖ３０のさらなる低減を達成することができる。
【００３２】
一実施形態例において、Ｐ-Ｍ格子２０と逆の側でＥＯ基板表面３２の一方または両方に接して１つないし２つの屈折率整合層４０が設けられる。屈折率性放送４０はそれぞれ隣接ＥＯ基板３０とは逆側の(すなわち、ＢＳＰＯ変調器１０の入力端１２Ｉ及び出力端１２Ｏのそれぞれにおける)表面４２を有する。屈折率整合層４０は、図１に示されるようにＢＳＰＯ変調器１０が１つないしさらに多くの導波路７０とインターフェースされたときに、反射を低減するように構成される。一実施形態例において、一方または両方の屈折率整合層４０は導波路７０の材料(例えば、シリカ、ドープトシリカ、等)とＥＯ基板３０のＥＯ材料の屈折率が等しくないことによる構造からの光の反射を防止するように構成された１枚ないしさらに多くの薄い誘電体板(図示せず)を含む。一実施形態例において、一方または両方の屈折率整合層４０はＥＯ基板３０の一方または両方の外表面上に施された１つないしさらに多くの薄膜反射防止コーティング(図示せず)を含む。
【００３３】
一実施形態例において、一方または両方の導波路７０は光ファイバである。好ましい実施形態において、導波路７０は、Ｐ-Ｍ格子２０上に入射する電磁(ＥＭ)波がＴＭ ＥＭ波であることを保証するため、偏波保存導波路である。導波路７０は偏波非保存とすることもできるが、Ｐ-Ｍ格子２０は、以下でさらに詳細に論じられるように、２次元対称(すなわち、誘電体区画で隔てられた正方形または長方形の金属のモザイク格子配列)であることが好ましい。
【００３４】
一実施形態例において、ＢＳＰＯ変調器１０は、様々なフォトニクス、集積光学及び半導体用途のためのミクロンサイズ及びナノサイズの構造及びデバイスの作成に用いられることが多い、標準フォトリソグラフィプロセス及び手法を用いて極めて容易に作成される。同様に、提案される変調器は、フォトニック集積回路の光導波路７０とも、光ファイバ導波路とも、集積することができる。ＢＳＰＯ変調器１０の構成は、ニオブ酸リチウムまたはヒ化ガリウムのような特定の材料または材料群に束縛されない。Ｐ-Ｍ格子２０を賢明に設計することでＢＳＰＯ変調器１０を広範な材料プラットフォームに適合させ得ることが当業者には当然であろう。
【００３５】
一実施形態例において、ＢＳＰＯ変調器１０の総厚Ｔ１０は、屈折率整合層を用いないで約１μｍから２μｍの範囲に、また屈折率整合層を用いて約５μｍから７μｍの範囲に入るようにすることができる。
【００３６】
ＢＳＰＯ変調器１０は、「透過」または「オフ」モードにあるときは動作波長λＯの光を極めて低い減衰(例えば〜２ｄＢ以下)で透過させ、「遮断」または「オン」モードにあるときは極めて高い減衰(例えば〜２０ｄＢ以降)を有するように構成されることが好ましい。ＢＳＰＯ変調器１０は、「オン」モードが印加電圧を必要とするかあるいは「オフ」モードが印加電圧を必要とするように構成することができる。以下の議論においては、説明のために、「オフ」モードが「無印加電圧モード」として選択される。
【００３７】
その固有周波数が入力光１００Ｉの動作波長λＯと一致する、ＢＳＰモードの選択的励起により、垂直入射における広い減衰範囲(したがって大きな消光比)が可能になる。これは、斜め入射角を必要とする、他のＳＰ型光変調器と対照的である。ＢＳＰは、与えられた方向に進行するＳＰ波ではなく、定在波を形成する一括励起であることに注意されたい。この定在波ＢＳＰは、Ｐ-Ｍ格子表面２２上の電荷分布(＋,−)によって、図２に簡略に表されている。
【００３８】
導波光システムの一部としてＢＳＰＯ変調器１０が用いられる場合、変調器を１つないしさらに多くの導波路７０とインターフェースさせる工程が第１の工程に一般に含まれるであろう。一実施形態例において、光ファイバの形態の導波路７０がＢＳＰＯ変調器１０と入力側１２Ｉ及び出力側１２Ｏにおいてインターフェースされる。
【００３９】
図３は、導波路７０の変調器へのインターフェースまたはそうではなくとも動作可能な態様での接続を容易にするように構成されたハウジング１５０内にＢＳＰＯ変調器１０が保持されている、一実施形態例の簡略な破断側面図である。ハウジング１５０は、ＢＳＰＯ変調器１０を収めるように構成された内部構造１５４を有する、中央区画１５２を備える。ハウジング１５０はハウジング１５０の両側に、オープンエンド１５８を有し、それぞれの導波路７０を収容する寸法につくられたそれぞれのチャネル１６０を定める、チャネル区画１５６も備える。一実施形態例において、チャネル１６０は２つの同等な導波路７０を収容するために同じ寸法を有し、別の実施形態例において、チャネル１６０は異なる導波路７０を収容するような寸法(及び／または形状)につくられる。一実施形態例において、電極に接続される電気配線６２は電圧源６０との接続を容易にするための電気コンタクト６３を含む。
【００４０】
ハウジング１５０は２本の光ファイバ７０を互いに結合させるために特に有用である。図３は、「裸の」ファイバ７０(すなわち、コア７３とクラッド７４)がチャネル１６０に挿入され得るようにバッファ層７５が部分的に剥ぎ取られている、一実施形態例を示す。別の実施形態例において、チャネル区画１５６は標準光ファイバコネクタ(例えば、ＳＴＰ型コネクタ)を収容するように形成することができ、ファイバ７０の末端部分は、図４に示されるように、標準光ファイバコネクタ８０によるコネクタ付とすることができる。
【００４１】
図１をまた参照すれば、ＢＳＰＯ変調器１０の動作において、入力光１００Ｉは入力導波路７０Ｉ内を光軸Ａ１に沿って進行し、ＢＳＰＯ変調器１０に入力側１２Ｉで入射する。導波路端７２に形成される界面による有害な反射を軽減するために屈折率整合層４０が用いられていれば、入力光１００Ｉは初めにこの屈折率整合層に入射し、最小限の反射しか受けない。ここでＢＳＰＯ変調器１０は一方または両方の屈折率整合層４０がなくとも機能し得ることをはっきりさせておく必要がある。しかし、ほとんどの場合において、反射を低減して透過(オフ)状態にある変調器を透過できる光の量を最大化することが有益であることが当業者には当然であろう。
【００４２】
したがって、入力光１００Ｉのほとんどが第１のＥＯ基板３０に進む。印加電圧Ｖ３０＝０とすれば、ＥＯ基板の屈折率ｎの値は比較的低く(例えばｎ＝２.１)、よって、入力光１００Ｉは格子-ＥＯ基板界面で与えられるＢＳＰ効果による減衰を実質的に受けない。したがって、Ｖ３０＝０の場合に、入力光１００Ｉは実質的に、Ｐ-Ｍ格子２０，第２のＥＯ基板３０及び第２の屈折率整合層４０を実質的に無減衰で透過して、出力光１００Ｏを形成する。
【００４３】
他方で、電圧源６０による一方または両方のＥＯ基板３０への電圧Ｖ３０の印加は、基板３０の屈折率を変え、したがってＢＳＰの固有周数をシフトさせるようにはたらく。オフ状態において、システムのパラメータは、ＢＳＰが励起され、膜の高透過率を媒介するような値にある。印加電圧は入力(入射)光１００Ｉの強度を実質的に抑制するようにはたらき、よって実質的に光が透過しないギャップ１００Ｇを出力光１００Ｏに形成する。印加電圧Ｖ３０のオン／オフを選択的に切り換える(あるいは、アナログ変調器の場合は印加電圧を選択的に変える)ことで、透過光１００Ｔの部分部分の間の、ギャップ１００Ｇの発生及び大きさが制御され、よって出力光１００Ｏが変調される。一実施形態例において、変調信号ＳＭが印加電圧Ｖ３０を、変調情報及び、必要であれば、バイアス電圧を含む態様で、ＢＳＰＯ変調器１０に(特に電極６４を介してＥＯ基板３０に)供給する。
【００４４】
ＢＳＰＯ変調器１０は、論理動作、レーザモードロック動作、等のような多くの用途のためのデジタルＥＯスイッチとして用いられ得ることにも注意されたい。印加電圧Ｖ３０はＥＯ基板３０の一方または両方に印加され得ることにも注意されたい。単一のＥＯ基板３０への印加電圧の印加では、良好な変調性能は得られないが、大きな減衰(すなわち高消光比)を必要としないいくつかの用途では許容され得る。
【００４５】
図５Ａは、２つの相異なる屈折率ｎ＝２.１及び２.２を生じさせる２つの相異なる印加電圧Ｖ３０の値に対する、一例のＢＳＰＯ変調器１０についての波長λ(ｎｍ)の関数としての入力光１００Ｉの透過率Ｔ(ｄＢ)の「スイッチング曲線」のグラフである。２つのスイッチング曲線はＣ１及びＣ２で表示される。図５Ａは完全数値時間領域差分(ＦＴＤＴ)シミュレーションを用いて、低損失材料及び高印加電圧Ｖ３０という理想的な場合について作成した。シミュレートしたＢＳＰＯ変調器１０は、格子厚ＴＧ＝１１６ｎｍ及び格子周期Λ＝６８８ｎｍであった。
【００４６】
図５Ｂは、図５Ａと同様であるが、金属ストリップ２６Ｍにおけるより現実的な損失及びＥＯ基板３０の屈折率ｎのより小さな変化に対する、スイッチング曲線のグラフである。そのような変更は、透明(透過)状態におけるより大きな損失及びより低い消光比をもたらす。シミュレートしたＢＳＰＯ変調器１０は、格子厚ＴＧ＝１００ｎｍ及び格子周期Λ＝６９４ｎｍであった。３本の曲線Ｃ１，ＣＩ及びＣ２が示される。曲線Ｃ１は、屈折率がｎ＝２.１になる、Ｖ３０＝０(すなわち「オフ」状態)を示す。曲線ＣＩは、印加電圧Ｖ３０が非ゼロであり(すなわち、「オン」状態にあるが最大電圧Ｖ最大ではない)、屈折率がｎ＝２.１３になる「中間」曲線である。曲線Ｃ２は、屈折率がｎ＝２.１６になる、Ｖ３０＝Ｖ最大(すなわち完全「オン」状態)に対する曲線である。図５Ａに比較して、図５Ｂの曲線Ｃ１，ＣＩ及びＣ２を生成するに必要な印加電圧Ｖ３０は小さくなった。許容できる消光比を約２５ｄＢとすれば、許容できる動作波長帯域幅ΔλＯ(すなわち、動作波長λＯの範囲)は、曲線Ｃ１及びＣ２から、約２０ｎｍと推定される。
【００４７】
図６Ａ及び６Ｂは、薄型構造Ｐ-Ｍ膜上のＢＳＰの励起に関する解析的モデルを用いる多重パラメータ最適化計算に基づく、一例のＢＳＰＯ変調器１０についてのシミュレーションによる格子厚ＴＧ(Ｙ軸)及び格子周期Λ(Ｘ軸)に対する透過率Ｔ(dＢ)のグレイスケール表示のグラフである。そのような計算はＢＳＰＯ変調器１０の最も効率の高い動作に対するパラメータ空間の同定に役立つ。図６Ａはｎ＝２.１(「オフ」状態)に対するグラフであり、図６Ｂはｎ＝２.２(「オン」状態)に対するグラフである。
【００４８】
図６Ａ及び６Ｂの結果は解析的モデルに基づくシミュレーションを用いて得られているから、ピーク透過率値は若干低く推定されている。それにもかかわらず、モデルに基づくそのような最適化により、Ｐ-Ｍ格子２０に適切な格子厚ＴＧ及び格子周期Λの決定が可能になる。
【００４９】
ＢＳＰＯ変調器１０のスイッチング速度は一般に用いられる特定のＥＯ基板材料に支配され、よって一般に他のＥＯ型変調器と同じである。例えば、約４０Ｇｂ/秒のスイッチング速度がニオブ酸リチウムＥＯ基板３０で可能である。そのようなスイッチング速度は、特定の電極構成及び、非軸性電極構成についてスイッチングを実施するに必要な(例えば約７０Ｖまでの)、比較的高い電圧によって、ある程度低下し得る。
【００５０】
一次元Ｐ-Ｍ格子を２つ備えるＢＳＰＯ変調器
図７Ａ及び７Ｂは、図１と同様であるが、ＥＯ基板３０で隔てられた２つのＰ-Ｍ格子２０を用い、２つの誘電体基板１１０が光軸Ａ１に沿って２つのＰ-Ｍ格子２０を挟み込んでいる、ＢＳＰＯ変調器１０の実施形態例の簡略な側面図である。ＥＯ基板表面３２及び２つのＰ-Ｍ格子２０が、ＢＳＰＯ変調器１０が「オン」状態にあるときにＢＳＰをそれぞれがサポートする、２つの対応する格子-基板界面ＧＳＩを形成する。
【００５１】
図７Ａに示されるように、それぞれのＥＯ基板表面３２上の２つの透明導電膜が、それらの間に配置された単ＥＯ基板３０に対する透明電極としてはたらくことができる。この構成にはＥＯ基板表面３２にわたる一様電圧分布が容易になるという利点がある。透明電極６４の厚さは、結合損失を最小限に抑えるため、可能な限り小さく(例えば１００ｎｍ程度に)保たれることが好ましい。
【００５２】
別の実施形態例において、自体が電極としてはたらく、２金属Ｐ-Ｍ格子２０が用いられる。また、格子２０がＰ-Ｍ格子である場合、誘電体ストリップ２６Ｄを導電材料で作成し、透明電極６４としてはたらかせることができる。
【００５３】
図７ＢはＥＯ基板３０の側面上に電極６４が配置されている実施形態例を示す。
【００５４】
図７Ａ及び７Ｂの単ＥＯ基板実施形態により、ＥＯ基板厚Ｔ３０を約５０ｎｍまで薄くすることが可能になる。軸上透明電極６４を用いる図７Ａの実施形態においては、これによって、上述した第１の実施形態例に比較して、スイッチングに必要な印加電圧Ｖ３０の大きさを実質的に低減することが可能になる。図７Ｂの実施形態に必要な印加電圧Ｖ３０の低減も同様に有意であるが、図７Ａの軸上電極実施形態に対するほど大きくはない。この場合、２つのＰ-Ｍ格子２０のそれぞれの厚さは上で論じた第１の実施形態例で考察したＰ-Ｍ格子２０の厚さの１/２に薄くすることができ、よって透過(「オフ」)モードにおけるＢＳＰＯ変調器１０の透過率は影響を受けない。
【００５５】
図８Ａは、相異なる(シミュレーションによる)印加電圧Ｖ３０によって生じさせた多くの相異なる屈折率ｎに対する、図７Ａに示したＢＳＰＯ変調器１０の実施形態例についての透過率Ｔ(ｄＢ)対波長λ(ｎｍ)のシミュレーションによるスイッチング曲線を示す。他のシミュレーションパラメータは、それぞれのＰ-Ｍ格子２０についてＴＧ＝５０ｎｍ及びΛ＝６９６ｎｍとし、両誘電体基板１１０についてｎ１１０＝２.１とした。図８Ａにおいて、ＥＯ基板厚はＴ３０＝１００ｎｍとした。
【００５６】
図８Ｂは、Ｔ３０＝５０ｎｍ，１００ｎｍ及び１５０ｎｍの、厚さＴ３０が相異なるＥＯ基板が含まれることを除いて、図８Ａと同様である。図８Ａ及び８Ｂのスイッチング曲線は、図５Ａ及び５Ｂのスイッチング曲線と比較して、同様の性能を示す。
【００５７】
図７Ａ及び７ＢのＢＳＰＯ変調器１０の図１の単格子実施形態に優る利点は、特定の用途のための変調器の設計に利用できる最適化パラメータの数(すなわち自由度)が大きくなることである。例えば、この場合は２つのＰ-Ｍ格子２０を使用するから、２つの格子厚ＴＧを利用できる。また、ＥＯ基板厚Ｔ３０を変えることもできる。さらに、(電気光学材料である必要はない)誘電体基板１１０の屈折率ｎ１１０は変えることができ、同じである必要はない。例えば、図８Ｂからわかるように、ＥＯ基板厚Ｔ３０を５０ｎｍずつ大きくする毎に、ＢＳＰＯ変調器１０のスイッチング性能は有意に変化する。
【００５８】
二次元Ｐ-Ｍ格子を備えるＢＳＰＯ変調器
図９は、誘電体区画２６Ｄで隔てられた金属区画２６Ｍのモザイク格子配列を有する、二次元Ｐ-Ｍ格子２０の実施形態例の上面図である。一般に金属区画２６Ｍと誘電体区画２６Ｄの大きさは異なる。このＰ-Ｍ格子２０の二次元実施形態例は図２の一次元版と類似しているが、この場合、格子はＸ方向の周期ΛＸ及びＹ方向の周期ΛＹを有する。図９の二次元Ｐ-Ｍ格子２０は上で論じたＢＳＰＯ変調器１０の実施形態のいずれにも用いることができる。Ｐ-Ｍ格子２０に対するこの幾何学的構造によってＢＳＰＯ変調器１０は実質的に偏光不感になり、これは非偏波保存導波路７０が用いられ得ることを意味する。
【００５９】
図１０は、図５Ａのグラフと同様であるが、図１のＢＳＰＯ変調器１０に図９の二次元Ｐ-Ｍ格子２０を用いたときの、透過率Ｔ(ｄＢ)対波長λ(ｎｍ)のグラフのスイッチング曲線Ｃ１及びＣ２を示す。曲線Ｃ１及びＣ２を形成するためにシミュレーションに用いた二次元Ｐ-Ｍ格子２０は、Ｘ軸及びＹ軸のいずれにも沿って、周期ΛＸ＝ΛＹ＝６９６ｎｍ及びデューティサイクルＤ＝０.２を有する。金属区画２６Ｍは金膜に基づいてモデル化し、格子厚ＴＧ＝１００ｎｍとした。入力光１００Ｉの入射平面波の偏光はＹ軸に沿わせた。グラフの屈折率「ｎ」は、数値シミュレーションにおいて等しいとおいた、屈折率整合層４０及び誘電体区画２６Ｄの誘電屈折率を指す。動作波長λＯ＝１５５７ｎｍにおいて、Δｎ＝０.０３の屈折率変化に対し、約１０ｄＢのコントラストが達成される。
【００６０】
ＢＳＰＯ変調器を備える光システム
図１１は、本発明のＢＳＰＯ変調器１０を(光源の直接変調とは対照的に)外部変調器として用いる、光システム２００の略図である。光システム２００は、入力導波路７０Ｉの区画に光結合されたレーザ源２１０を備える。入力導波路７０Ｉ及び出力導波路７０Ｏはハウジング１５０に収められたＢＳＰＯ変調器１０の入力側１２Ｉ及び出力側１２Ｏ(図３)に光結合される。変調器１０は電気配線６２を介して電圧源６０に電気的に接続される。電圧源６０は続いて、レーザ源２１０にも接続され、光システム２００の動作を制御するように構成された、コントローラ／プロセッサ２３０に電気的に接続される。光システム２００は電圧源６０の駆動に用いられる電圧コントローラ信号Ｓ６０のソース２５０も備えることができ、あるいはそのようなソース２５０に接続することができる。あるいは、電圧コントローラ信号Ｓ６０はコントローラ／プロセッサ２３０によって内部で発生させることもできる。
【００６１】
動作において、コントローラ／プロセッサ２３０は、レーザ源２１０にレーザ制御信号ＳＬを送ってレーザ源の動作を開始させる。応答して、レーザ源２１０は、変調されるべき連続波搬送信号のような、入力光１００Ｉを発生する。
【００６２】
コントローラ／プロセッサ２３０は電圧コントローラ信号Ｓ６０も生成するか、電圧コントローラ信号Ｓ６０を電圧源６０に振り向ける。電圧コントローラ信号Ｓ６０は、例えば、バイアス電圧および、変調情報を含む、ＲＦ印加電圧Ｖ３０を含む、変調電圧信号ＳＭを形成するために電圧源６０によって用いられるべき、変調情報を有する。電圧源６０は変調電圧信号ＳＭ(すなわち電圧Ｖ３０)をＢＳＰＯ変調器１０に供給し、ＢＳＰＯ変調器１０は、変調電圧信号ＳＭに応答し、上述したように入力光１００Ｉを変調して変調出力光１００Ｏを形成する(図１も見よ)。
【００６３】
利点
本発明のＢＳＰＯ変調器１０は多くの重要な利点を有し得る。第１の利点は、変調器の断面寸法が光ファイバのような一般的な導波路のコア７３の寸法とほぼ同じであるように変調器を非常にコンパクトに作成し得ることである。ＢＳＰＯ変調器１０は屈折率整合層４０の使用により低結合損失を有するように作成することもできる。さらに、ＢＳＰＯ変調器１０は、位相変調に続いて強度変調への変換が必要な干渉計型変調器とは対照的に、光の直接変調を提供する。さらに、ＢＳＰＯ変調器１０は、斜め入射角を与える必要がなく、垂直入射光を変調する。
【００６４】
ＢＳＰＯ変調器１０は、上で論じた様々な変調器パラメータの選択によって調整することができる、動作波長λＯも有する。１５５０ｎｍ、１３００ｎｍ及び８５０ｎｍのような様々な波長ウインドウに設計を拡張することができる。
【００６５】
動作波長帯域幅ΔλＯは２０ｎｍ程度にすることができる。さらに、非常に高い消光比(約２０ｄＢ以上)を達成することができる。しかし、ＥＯ係数が比較的高いＥＯ材料を用いない限り、あるいは透明電極６４を光軸Ａ１に沿って用いることができれば、比較的高い印加電圧Ｖ３０が必要になり得る。Ｐ-Ｍ格子２０が一次元であるかまたは二次元であるかに依存して、ＰＭ実施形態または非ＰＭ実施形態のいずれのＢＳＰＯ変調器１０も形成することができる。
【００６６】
上記説明が本発明の例示に過ぎず、特許請求の範囲で定められるような本発明の本質及び特質の理解のための概要の提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は、記述とともに、本発明の原理及び動作の説明に役立つ、本発明の様々な特徴及び実施形態を示す。本明細書に説明されるような本発明の好ましい実施形態に、添付される特許請求の範囲に定められるような本発明の精神または範囲を逸脱することなく、様々な改変がなされ得ることが当業者には明らかになるであろう。
【符号の説明】
【００６７】
１０    ブロッホ表面プラズモン光(ＢＳＰＯ)変調器
２０    誘電率変調(Ｐ-Ｍ)格子
３０    電気光学(ＥＯ)基板
４０    屈折率整合層
６０    電圧源
６４    電極
１００Ｉ    入力光
１００Ｏ    出力光
ＳＭ    変調電圧信号
【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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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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