(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層されたリング状の光共振器を備える発光素子であって、
前記光共振器は光を伝搬させ、Ｓｉ、Ｇｅ又はＳｉとＧｅの混晶体を主体とする半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、
前記コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、
前記クラッドはリング内周側及びリング外周側の一部が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記クラッドはリング内周側及びリング外周側の空間又は前記透明体に接している部分の積層方向の厚さが、前記コアからのエバネッセント波の電界強度が前記コアと前記クラッドとの境界面での電解強度の１／ｅ（ｅは自然対数）以下になる厚さであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記クラッドは前記基板面に平行な方向の幅が、前記コア側よりも前記コアの反対側の方が狭いことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
基板上に積層されたリング状の光共振器を備える発光素子であって、
前記光共振器は光を伝搬させ、Ｓｉ、Ｇｅ又はＳｉとＧｅの混晶体を主体とする半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、
前記コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、前記基板に平行な方向の幅が、前記基板の側よりも前記基板の反対側の方が広いことを特徴とする発光素子。
【請求項５】
前記コアは一部に有効屈折率の特異点を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】
基板上に積層されたリング状の光共振器を備える発光素子であって、
前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、
前記コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、一部に有効屈折率の特異点を有することを特徴とする発光素子。
【請求項７】
前記有効屈折率の特異点は、前記コアのリング内周面に形成された溝であることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記有効屈折率の特異点は、前記コアのリング内周面に形成された凸部であることを特徴とする請求項５又は６に記載の発光素子。
【請求項９】
前記光共振器は入れ子構造のリング状の多重光共振器であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１０】
前記コアのリング内周部及びリング外周部の前記クラッド上に電荷を供給する電極をそれぞれ有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１１】
前記コアのリング内周部の前記クラッド上に電荷を供給する複数の電極を有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１２】
前記基板上の前記光共振器の周囲に、前記光共振器から放射された出射光を前記基板の上面方向に反射する反射壁を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１３】
前記反射壁は複数に分割されており、前記コアのリング外周円の接線方向に放射された出射光が前記分割された反射壁に入射角４５度で入射し、入射した前記出射光が前記基板の上面直角方向に反射するような反射面を有することを特徴とする請求項１２に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記基板上の前記光共振器の周囲に、前記光共振器から放射された出射光を前記基板の上面方向に回折する回折格子を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１５】
前記回折格子は複数に分割されており、前記コアのリング外周円の接線方向に放射された出射光が前記分割された回折格子の格子に対して直角に入射し、入射した前記出射光が前記基板の上面直角方向に回折するような格子配置であることを特徴とする請求項１４に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記光共振器にエバネッセント結合して入力光を前記光共振器に結合させる入力導波路を有することを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１７】
前記光共振器にエバネッセント結合して前記光共振器から放射された出射光を結合させる出力導波路を有することを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１８】
基板上に、請求項１から１７に記載の発光素子及び半導体回路を備えることを特徴とする半導体集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、リング状の光共振器を利用して発光させる発光素子に関する。特に、半導体技術を利用したレーザ発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の半導体集積回路では、一層の高速信号処理が必要となり回路間の信号伝達にはレーザ発光素子が用いられるようになってきた。特に、半導体集積回路はＳｉやＧｅをベースとする半導体基板上で構成することのできるＳｉやＧｅのレーザ発光素子の実現への要望が強い。このため、Ｓｉナノ結晶を利用したり（特許文献１参照。）、Ｓｉ基板上でＳｉ導波路を利用して発光させようとする試みもなされている。
【０００３】
しかし、いずれも、Ｓｉ結晶からの自発発光が確認できる程度で、Ｓｉ結晶を利用したレーザ発振には至っていない。
【特許文献１】特開２００１−０４０３４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、リング状の光共振器を備えた発光素子において、発光のメカニズムを解明することによって、新たな構造を提案してレーザ発振の可能な発光素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、発明者らは、Ｓｉを導波路のコアとするリング状の光共振器を作製し、初めてレーザ発振を確認することができた。このような構造はＳｉをコア導波路とするリング状あるいはディスク状の光共振器のみならず、半導体をコア導波路とするリング状あるいはディスク状の光共振器に拡張できる。本願発明はレーザ発振の可能な発光素子の構造を提案するものである。
【０００６】
具体的には、本願発明は、基板上に積層されたリング状の光共振器を備える発光素子であって、前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、前記コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、前記クラッドはリング内周側及びリング外周側の一部が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われていることを特徴とする発光素子である。
本願発明により、リング状の光共振器の半導体コアで発光したレーザ光がコアやクラッドから放射モードに変換されて放出される割合を低減することができる。
【０００７】
本願他の発明は、前記クラッドはリング内周側及びリング外周側の空間又は前記透明体に接している部分の積層方向の厚さが、前記コアからのエバネッセント波の電界強度が前記コアと前記クラッドとの境界面での電解強度の１／ｅ（ｅは自然対数）以下になる厚さであることを特徴とする発光素子である。
リング内周側及びリング外周側の空間又は透明体に接している部分のクラッドの厚さがエバネッセント波の電界強度が１／ｅ以下になる程度であれば、コアからクラッドへ滲入したエバネッセント波が放射モードに変換される割合を十分に低減することができる。
【０００８】
本願他の発明は、前記クラッドは前記基板面に平行な方向の幅が、前記コア側よりも前記コアの反対側の方が狭いことを特徴とする発光素子である。
コアからクラッドへのエバネッセント波の滲入を低減することができ、エバネッセント波が放射モードに変換されて損失となることを減少させることができる。
【０００９】
本願他の発明は、基板上に積層されたリング状の光共振器を備える発光素子であって、
前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、前記コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、前記基板に平行な方向の幅が、前記基板の側よりも前記基板の反対側の方が広いことを特徴とする発光素子である。
本願他の発明により、コア内を伝搬している光がクラッドから離れた位置に偏るため、クラッドへのエバネッセント波の滲入を減少させることができる。
【００１０】
本願他の発明は、前記コアは一部に有効屈折率の特異点を有することを特徴とする発光素子である。
コアに有効屈折率の特異点を持たせることにより、光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
【００１１】
本願他の発明は、基板上に積層されたリング状の光共振器を備える発光素子であって、
前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、前記コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、一部に有効屈折率の特異点を有することを特徴とする発光素子である。
本願他の発明により、リング状の光共振器の半導体コアで発光したレーザ光がコアから放射モードに変換されて放出される割合を低減することができる。また、コアに有効屈折率の特異点を持たせることにより、光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
【００１２】
本願他の発明は、前記有効屈折率の特異点は、前記コアのリング内周面に形成された溝であることを特徴とする発光素子である。
溝であれば容易に形成することができ、溝により光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
【００１３】
本願他の発明は、前記有効屈折率の特異点は、前記コアのリング内周面に形成された凸部であることを特徴とする発光素子である。
凸部であれば容易に形成することができ、凸部により光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
【００１４】
本願他の発明は、前記光共振器は入れ子構造のリング状の多重光共振器であることを特徴とする発光素子である。
複数のリングに共通の共振周波数で発振するため、発光する光の縦モードを減少させることができる。
【００１５】
本願他の発明は、前記コアのリング内周部及びリング外周部の前記クラッド上に電荷を供給する電極をそれぞれ有することを特徴とする発光素子である。
コアに効率的に電荷を注入することができる。
【００１６】
本願他の発明は、前記コアのリング内周部の前記クラッド上に電荷を供給する複数の電極を有することを特徴とする発光素子である。
コアへの電荷の注入を局在化させることにより、発光する光の縦モードを減少させることができる。
【００１７】
本願他の発明は、基板上に積層されたディスク状の光共振器を備える発光素子であって、前記光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと前記コアに対して積層方向の前記基板側又はその反対側のうち少なくとも前記基板側に積層されたクラッドとを有し、前記コアは少なくともディスク外周側が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、前記クラッドはディスク外周側の一部が空間又は前記クラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われていることを特徴とする発光素子である。
本願他の発明により、ディスク状の光共振器の半導体コアで発光したレーザ光がコアから放射モードに変換されて放出される割合を低減することができる。
【００１８】
本願他の発明は、前記コアの前記基板と反対側の面と前記コアのディスク外周部の前記クラッド上に、電荷を供給する電極をそれぞれ有することを特徴とする発光素子である。
コアに効率的に電荷を注入することができる。
【００１９】
本願他の発明は、前記基板上の前記光共振器の周囲に、前記光共振器から放射された出射光を前記基板の上面方向に反射する反射壁を有することを特徴とする発光素子である。
反射壁により光共振器から放射された出射光を基板の上面方向に反射することができる。
【００２０】
本願他の発明は、前記反射壁は複数に分割されており、前記コアのリング外周円の接線方向に放射された出射光が前記分割された反射壁に入射角４５度で入射し、入射した前記出射光が前記基板の上面直角方向に反射するような反射面を有することを特徴とする発光素子である。
反射壁により光共振器から放射された出射光を基板の上面直角方向に反射することができる。
【００２１】
本願他の発明は、前記基板上の前記光共振器の周囲に、前記光共振器から放射された出射光を前記基板の上面方向に回折する回折格子を有することを特徴とする発光素子である。
回折格子により光共振器から放射された出射光を基板の上面方向に回折することができる。
【００２２】
本願他の発明は、前記回折格子は複数に分割されており、前記コアのリング外周円の接線方向に放射された出射光が前記分割された回折格子の格子に対して直角に入射し、入射した前記出射光が前記基板の上面直角方向に回折するような格子配置であることを特徴とする発光素子である。
回折格子により光共振器から放射された出射光を基板の上面直角方向に回折することができる。
【００２３】
本願他の発明は、前記光共振器にエバネッセント結合して入力光を前記光共振器に結合させる入力導波路を有することを特徴とする発光素子である。
平面光回路内で光共振器に入力光を入力することができる。
【００２４】
本願他の発明は、前記光共振器にエバネッセント結合して前記光共振器から放射された出射光を結合させる出力導波路を有することを特徴とする発光素子である。
平面光回路内で光共振器から出力光を出射することができる。
【００２５】
本願他の発明は、前記コアの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ又はＳｉとＧｅの混晶体を主体とする半導体であることを特徴とする発光素子である。
既存の半導体技術との整合性がよく、既存の半導体プロセスを利用することができる。
【００２６】
本願他の発明は、基板上に、前記発光素子及び半導体回路を備えることを特徴とする半導体集積回路である。
本願他の発明により、発光素子と半導体回路を同一基板上に構成することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本願発明の発光素子は、半導体をコアとする光共振器で容易にレーザ発振させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、具体的に実施形態を示して本願発明を詳細に説明するが、本願の発明は以下の記載に限定して解釈されない。
【００２９】
（実施の形態１）
本実施の形態は、基板上に積層されたリング状の光共振器を備える発光素子であって、光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコアと、コアに対して積層方向の基板側又はその反対側のうち少なくとも基板側に積層されたクラッドとを有し、コアは少なくともリング内周側及びリング外周側が空間又はクラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われており、クラッドはリング内周側及びリング外周側の一部が空間又はクラッドよりも屈折率の低い透明体で覆われていることを特徴とする発光素子である。
【００３０】
本実施の形態に係る発光素子の斜視図を図１（ａ）に、図１（ａ）の斜視図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図１（ｂ）に示す。３１は基板、１１は光を伝搬させる半導体からなるリング状のコア、２１はコア１１に対して積層方向の基板側に接するように積層されたリング状のクラッドである。コア１１はリング内周側、リング外周側及びクラッド２１と反対側の上面が空間である。コア１１の上面にコア１１よりも屈折率の低いクラッドが積層されていてもよい。クラッド２１はコア１１よりも屈折率が低く、コア内を伝搬する光の閉じ込め機能を有する。図１では、クラッド２１はコア１１に接するように積層されているが、クラッド２１がコア内を伝搬する光の閉じ込め機能を発揮すれば、クラッド２１とコア１１の間に超格子層等の他の層が積層されてもよい。コア１１に注入された正孔と電子が半導体からなるコア内で結合して光が発生する。コア１１は空間又はクラッド２１で囲まれているため、発生した光はコア１１内を伝搬する。コア１１のクラッド２１と反対側の上面にコア１１よりも屈折率の低いクラッドが積層されていても同様である。クラッド２１は、図１に示すようにリング内周側及びリング外周側の全部が空間となっていてもよいし、一部が空間となっていてもよい。つまり、基板３１上に積層されたクラッド層は、コア１１の下部を除いて全部を除去してもよいし、クラッド層の上部だけを除去して作製してもよい。また、コア１１の上面、リング外周側、リング内周側、及びクラッド２１のリング外周側、リング内周側は、クラッド２１よりも屈折率の低い透明体で覆われていてもよい。
【００３１】
コア１１の材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ又はＳｉとＧｅの混晶体を主体とする半導体が例示できる。クラッド２１やコア１１の上面に積層可能な材料はコア１１の材料よりも屈折率が低くなければならない。コア１１がＳｉの場合は、クラッド２１の材料として、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＳｉＣが例示できる。コア１１がＧｅの場合は、クラッド２１の材料として、例えば、ＳｉＧｅ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＳｉＣが例示できる。コア１１がＳｉとＧｅの混晶体の場合は、クラッド２１の材料として、例えば、コアのＳｉＧｅよりもＧｅの比率の少ないＳｉＧｅ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＳｉＣが例示できる。透明体の材料はクラッド２１の材料よりも屈折率が低くなければならない。クラッド２１がＳｉの場合、透明体の材料として例えばＳｉＯ２が例示できる。ＳｉＯ２の透明体はＳｉの表面再結合を抑制するパッシベーション膜であってもよい。以下の実施の形態で説明する光共振器のコア、クラッド及び透明体の材料でも同様である。
【００３２】
基板３１の材料としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、Ｇｅ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＳｉＣが例示できる。基板３１の材料として半導体を使用してもよいし、絶縁体を使用してもよい。あるいは、Ｓｉの表面を酸化させてＳｉとＳｉＯ２の二重構造を基板として使用してもよい。また、ＳｉＯ２の表面のコア１１の下部になる一部を残して除去し、残ったＳｉＯ２をクラッド２１としてもよい。このような基板の材料は既存の半導体技術との整合がよく、既存の半導体集積回路の製造プロセスを利用することができる。また、同一の基板上に本願発明の発光素子と半導体回路を形成した半導体集積回路を作製することも容易となる。半導体回路とは、例えば、増幅回路、ディジタル論理回路、変復調回路等の電子回路をいう。以下の実施の形態で説明する発光素子の基板の材料でも同様である。
【００３３】
（実施例）
本実施例の発光素子は図１に示すような基板３１上のコア１１とクラッド２１をリング状の光共振器とした構造を持つ。基板３１としてＳｉ、コア１１としてＳｉ、クラッド２１としてＳｉＯ２を使用した。コア１１及びクラッド２１のリング外周側及びリング内周側並びにコア１１の上面は空間とした。リングの半径は３００ｎｍ、コアの幅は３００ｎｍ、コアの厚さは３４０ｎｍであった。この構造と外部から電子と正孔を注入する電極構造からなる。図１では、電極構造を省略している。基本動作を説明するためリング状の光共振器に局所的にこれら電荷を注入しその発光強度の波長依存性を測定した結果を図２に示す。図２において、上側がリング状の光共振器、下側が直線導波路での発光スペクトルである。リング状の光共振器では、発光スペクトルに鋭いピークが多数発生した。このピークは、リング内を伝搬する光が定在波状態を作り、その波長で発光強度が増強するパーセル効果が生じてレーザ発振したことを示すものである。さらに、上記発光素子にアルゴンレーザ光を励起光として注入した入出力特性の測定結果を図１７に示す。図１７において、励起光のレベルを増大させた場合、閾値に達すると、急激に発光強度が増大し、その後、直線的に増大した。この結果から、閾値付近から発光強度が増強するパーセル効果が生じてレーザ発振したことを示すものである。
【００３４】
リング半径をｒ、リング状の光共振器の有効屈折率をｎｅｆｆとすると発光波長λは式（１）により表現できる。
λ＝（２πｒ／ｍ）・ｎｅｆｆ    （１）
ここでｍは伝搬モードの縦モード次数である。この時、リング状の光共振器の共振Ｑ値をＱ、体積をＶとするとパーセル効果による増強係数ＦはＱ／Ｖに比例するため、高いＱ値と微小な体積Ｖの実現が増強に必要である。
【００３５】
この増光の一般的な原理は知られていたが、Ｓｉをコアとする新たな構造のリング状の光共振器を提案することによって実験的にレーザ発振することを立証した。発光過程は以下のようである。Ｓｉコアに電子及び正孔を注入しつづけると、これら電荷の再結合による発光のうち、式（１）を満たす波長を持つ光は定在波としてリング状の光共振器のコア内を伝搬する。ここで、無限大のＱ値を持つコアでは光の電界強度が時間と共に高まる。このとき、定在波状態をとる光の電界強度はコアの外の空間にもエバネッセント波として存在し、コアからの距離に応じて指数関数的に減少する。このため、コア内に蓄積された光の電界強度が高まれば、エバネッセント波の電界強度も高まる。このエバネッセント波の一部が放射モードに結合する結果、コアから空間に光が放出される。これは導光路曲げ損失と呼ばれる。この損失としてコアから空間に放出される光の強度は、コアに注入された電子及び正孔の再結合による発光強度と釣り合うとき、定常状態が形成される。実際には、リング状の光共振器はコア内での散乱、吸収等の散逸過程で減衰するため、有限のＱ値を持つ。このため、常に電子及び正孔の再結合発光よりもコアから放射される光の強度は低くなる。散逸過程が同じ場合には発光の積分強度は同一であるが、発光のピーク強度は共振器のＱ値が高いほど高い。
【００３６】
コアからのエネルギーの散逸過程としては、
Ａ．発光なしに注入電荷が再結合して消失する非発光再結合過程
Ｂ．注入発光のコア材料による光吸収
Ｃ．同じくコアの上面あるいは下面から抜ける自発発光
Ｄ．コア表面の凹凸によるコア内を伝搬する光の散乱
Ｅ．コア上面あるいは下面からクラッドにしみ出すエバネッセント波放射
Ｆ．導光路曲げ損失
などが主たる要因である。以下にそれぞれを極小にするリング状の光共振器の構造を説明する。ここで、注意すべきことは、リング状の光共振器は進行波型の共振器であり、定在波型の共振器と異なり、発光の位相をそろえる働きをそれ自体が持たない。このため、本質的に発光は非コヒレントである。コヒレントとするためには、後述するように構造上に特異点を導入することが有効である。ここでは、便宜上、コアの一部に電荷を注入し、それにより光の位相が整合することを利用し、散逸過程の極小化を行う。
【００３７】
Ａの非発光再結合を促進する要因はコア内およびコア表面に存在する欠陥である。リング状の光共振器を加工する際にドライエッチングなどによりコア材料である例えばＳｉに欠陥が導入される。表面の欠陥は未結合手が存在するため再結合欠陥として作用する。これらの欠陥を抑制するためには、加工後に高温の熱処理をしたり、表面の欠陥には酸化膜を形成することが有効である。Ｓｉを硫酸と過酸化水素水の混合液で洗浄するピラニア洗浄で表面を薄くエッチングし、その酸化膜をフッ酸により除去することで欠陥層がなくなる。この欠陥層とは別にドライエッチング時に加工側面に形成されるフッ素系の保護膜も再結合中心として作用するため、ピラニア洗浄及びフッ酸処理により除去することも有効である。
【００３８】
Ｂの光吸収は発光が吸収の逆過程であることを考えれば、吸収のない材料では発光も起こらないので、完全に吸収のない材料をコアとして用いることはできない。一方、光共振器を形成するためには光がリングを一周し、一周した光と干渉することが前提となる。従って、リングを周回できない程、吸収係数の高い波長は対象にならない。言い換えれば、パーセル効果により増強できる波長は材料によって決まる。Ｓｉは、波長が１．０、１．１及び１．２μｍの時、吸収係数は４．０ｅ−４／ｃｍ、３．１ｅ−５／ｃｍ、１．２ｅ−６／ｃｍとなる。強度が１／ｅになる距離はいずれも１０ｍ以上となる。従って、１．１μｍ以上の光は、周長が約１５μｍのコア内に定在波が生じるに十分なほど、Ｓｉは透明であることがわかる。一方、長波長側は吸収係数が低く、発光強度も弱くなるため、１．１μｍ程度にピークを持つことになる。図２に示すシャープなスペクトルピーク群が１．１μｍに最大ピークを持つことはこのためである。
【００３９】
ＳｉにＧｅを添加したＳｉＧｅ混晶は常に間接遷移半導体であり、バンド端近接の吸収係数はＳｉと同様に小さい。しかし、禁制帯は１．１μｍから１．８μｍまで混晶のＧｅ組成とともに長波長化する。従って、特定の組成を用いることによりこの波長帯の発光素子を実現することができる。
【００４０】
Ｃのコア１１の上面あるいは下面から抜ける自発発光は原理的に抑制できない。コア１１としてＳｉを用いると屈折率が高いため、内部全反射が効率よく起こる。このため空間となっているコア１１の上面から抜ける光は所定の角度の円錐に入った光のみが、クラッド２１に接する下面からはこれより大きい角度の光のみが損失となる。コア１１の上面にもクラッドが積層されていれば、所定の角度は大きくなる。この自発発光成分は定在波を形成していないため、図２の直線導波路のような連続スペクトルを持つ波長成分である。
【００４１】
Ｄの光の散乱を生じる凹凸については、コアの上面と下面は側面に比べると平坦性が高い。このため、本発明ではリング状の光共振器の加工時に生じる側面の凹凸を低減する構造を取り入れる。製作法にて具体的に示すが、上記で述べた湿式のエッチング法を適用することができる。電子線露光で使われる最小のパターン寸法から凹凸は２ｎｍ程度と考えられる。処理回数を増加することにより、発光ピーク強度が増すことがわかる。
【００４２】
Ｅは、コアの上面あるいは下面からクラッドにしみ出したエバネッセント波成分が導光路曲げにより放射モードに結合することによる散逸である。特に、図１において、コア１１にＳｉ、クラッド２１にＳｉＯ２とすると、ＳｉコアとＳｉＯ２クラッド間の屈折率差は上面の空間とＳｉとの屈折率差に比して小さい。このため、下面のクラッド２１にしみ出したエバネッセント波成分が放射モードに結合しないよう、リング状の光共振器の側面に沿ってクラッド２１もエバネッセント波の到達深さまで空間となるよう加工して、クラッドのリング内周側及びリング外周側の一部を空間とする。リング内周側及びリング外周側のクラッド２１の空間に接している部分の積層方向の厚さは、コア１１からのエバネッセント波の電界強度がコア１１とクラッド２１との境界面での電解強度の１／ｅ以下になる厚さが望ましい。この程度の厚さまでクラッド２１のリング内周側及びリング外周側が空間に囲まれていると、エバネッセント波成分が放射モードに結合することを低減する効果が得られる。
【００４３】
Ｆの曲げ損失はコアとコアの外周側の空間又は透明体との屈折率差の関数であり、リング半径を大きくすれば抑制できる。
【００４４】
以上は、ＳｉコアとＳｉＯ２クラッドのリング状の光共振器を備える発光素子の実施例を説明したが、他の波長で発光するＳｉＧｅやＧｅ等の半導体をコアとするリング状の光共振器を備える発光素子についてもＳｉＯ２上に形成されている場合には同じ方針が成立する。
【００４５】
次に、クラッド２１の材料がＳｉの場合を説明する。ＳｉクラッドはＳｉＯ２クラッドと異なり、Ｓｉをコアとするリング状の光共振器には用いることができないが、ＳｉＧｅあるいはＧｅのリング状の光共振器には用いることができる。言い換えれば、Ｓｉでなくとも屈折率がコア材料より低い組成のＳｉＧｅ混晶はクラッドとして用いることができる。このクラッドのメリットは、半導体であるため電流を流すことができ、電極の形成が容易になることを挙げられる。
【００４６】
（実施の形態２）
本実施の形態は、ＧｅコアとＳｉクラッドの組み合わせたリング状の光共振器を備える発光素子である。ＧｅコアとＳｉクラッドとの屈折率差が小さいことから、Ｃの自発発光した光がコアから抜けることによる損失が大きい。また、コアからクラッドへのエバネッセント波放射も大きい。Ｅのエバネッセント波放射による損失をクラッドのオーバエッチにより低減する。このような構造の発光素子の斜視図を図３（ａ）に、図３（ａ）の斜視図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図３（ｂ）に示す。クラッド２２の基板面に平行な方向の幅がコア１１側よりもコア１１の反対側の方が狭い。このような構造とすることにより、コア１１からクラッド２２へのエバネッセント波の滲入を低減することができ、エバネッセント波の滲入自体が小さいため、エバネッセント波が放射モードに結合して損失となる曲げ損失を減少させることができる。図３（ｂ）のＴ字状のクラッドであると伝搬モードが安定する。また、クラッド２２の幅がコア１１の側からコア１１の反対側に向けて漸次低減する形状でもよい。このような構造は、ＧｅコアとＳｉクラッドの組み合わせに限らず、前述したコア材料とクラッド材料の組み合わせにも適用することができる。Ｓｉクラッドの表面にＳｉＯ２のパッシベーション膜を透明体として形成してもよい。また、基板３１の上面がＳｉの場合はその表面にＳｉＯ２のパッシベーション膜を形成してもよい。
【００４７】
（実施の形態３）
本実施の形態に係る発光素子の斜視図を図４（ａ）に、図４（ａ）の斜視図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図４（ｂ）に示す。エバネッセント波のクラッドへの滲入を低減するには、図４に示すようなリング状の光共振器の構造でも有効である。基板３２の上面はクラッド２３となっている。クラッド２３に接するようにリング状のコア１３が積層されている。例えば、Ｓｉ基板３２とＳｉの上面を酸化させたＳｉＯ２クラッド２３の上面にＳｉコア１３を積層する。Ｓｉコア１３をエッチングする際に、オーバエッチすることにより、コア１３は基板３２に平行な方向の幅が基板３２の側よりも基板３２の反対側の方が広い。
【００４８】
図４に示すように、コア１３は基板３２に平行な方向の幅が、基板３２の側よりも基板３２の反対側の方が広いと、コア１３内を伝搬する光はクラッド２３から離れた位置に偏るため、クラッド２３へのエバネッセント波の滲入を減少させることができる。この結果、クラッド２３内のエバネッセント波の滲入自体が小さいため、Ｅのエバネッセント波放射による損失を低減することができる。図４（ｂ）のＴ字状のコアであると伝搬モードが安定する。また、コア１３の幅が上面から基板３２の側に向けて漸次低減する形状でもよい。
【００４９】
図４では、クラッド２３はエッチングで除去されていないが、クラッド２３のリング内周側及びリング外周側の一部が空間となるよう、エッチングによりコア１３の下面以外のクラッド２３の一部又は全部を除去してもよい。クラッド２３のリング内周側及びリング外周側の一部が空間となるようにコア１３の下面以外のクラッド２３の一部又は全部を除去すると、クラッド２３に滲入したエバネッセント波が放射モードに結合して放出される割合を低減することができる。図４では、クラッド２３はコア１３に接するように積層されているが、クラッド２３がコア内を伝搬する光の閉じ込め機能を発揮すれば、クラッド２３とコア１３の間に超格子層等の他の層が積層されてもよい。
【００５０】
また、コア１３の上面にクラッドを積層してもよい。Ｓｉコア１３については、表面にＳｉＯ２パッシベーション膜を透明体として形成してもよい。ここでは、ＳｉコアとＳｉＯ２クラッドの組み合わせで説明したが、前述したコア材料とクラッド材料の組み合わせにも適用することができる。
【００５１】
（実施の形態４）
リング状の光共振器でコヒレント発光を得るため、実施の形態１〜３では局所的な電流注入を用いた。しかし、電荷の反転分布を形成しレーザ発振させるためには、吸収係数が高い方が有利である。このため、コア全面に電流注入をする場合でもコヒレント化が可能な構造を以下に説明する。基本はコアの少なくとも一カ所に有効屈折率の特異点を形成することである。
【００５２】
例えば、コアのリング内周面の一部に縦溝を形成し、有効屈折率を他の部分より小さくすると、その部分がきっかけになってコヒレントな発光が得られる。図５に実施の形態１の光共振器のコアのリング内周面の一部に縦溝を形成した例を示す。本実施の形態に係る発光素子の斜視図を図５（ａ）に、図５（ａ）の斜視図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図５（ｂ）に示す。図５において、３１は基板、１４は光を伝搬させる半導体からなるコア、２１はコア１４に対して積層方向の基板側に積層されたクラッドである。コア１４は、リング内周側、リング外周側及びクラッド２１と反対側の上面が空間である。コア１４の基板側はコア１４よりも屈折率の低いクラッド２１に接している。５１は、コア１４のリング内周面に形成された縦溝である。縦溝５１の部分はコアの有効屈折率が小さくなり、有効屈折率の特異点により光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
【００５３】
逆に、コアのリング内周面の一部に凸部を形成し、有効屈折率を他の部分より大きくすると、その部分がきっかけになってコヒレントな発光が得られる。図６に実施形態１の光共振器のコアのリング内周面の一部に縦凸部を形成した例を示す。図６において、３１は基板、１５は光を伝搬させる半導体からなるコア、２１はコア１５に対して積層方向の基板側に積層されたクラッドである。コア１５は、リング内周側、リング外周側及びクラッド２１と反対側の上面が空間である。コア１５の基板側はコア１５よりも屈折率の低いクラッド２１に接している。５２は、コア１４のリング内周面に形成された縦凸部である。縦凸部５２の部分はコアの有効屈折率が大きくなり、有効屈折率の特異点により光の位相が揃い、コヒレントな発光が得られる。
【００５４】
図５、図６では、クラッド２１はコアの下部にのみ存在するよう、コア１４あるいは１５の周辺のクラッド層が除去されているが、クラッド層を全面的に残しておいた場合にも、このような有効屈折率の特異点によりコヒレントな発光が得られる。
【００５５】
本実施の形態ではコアのリング内周面に有効屈折率の特異点となるような細工をほどこしたが、コアのリング外周面に有効屈折率の特異点となるような細工をほどこしてもよい。
【００５６】
実施の形態２〜３についてもコヒレントな発光を得るために、このような有効屈折率の特異点を施す細工は有効である。
【００５７】
このように有効屈折率の特異点を偶数箇所に形成すると偶数モードのみが励起され、奇数箇所に形成すると奇数モードのみが励起され、モード数が減少するため、電荷の光発生への寄与が向上する。精密な計算により有効屈折率の特異点の数と配置を設計すると、リング状の光共振器に発生する縦モードを一つにすることも可能である。
【００５８】
（実施の形態５）
リング状の光共振器に発生する縦モードを減少させるのに、入れ子構造のリング状の多重光共振器も有効である。例えば、図７に入れ子構造のリング状の多重光共振器を備える発光素子の例を示す。本実施の形態に係るリング状の二重光共振器を備える発光素子の斜視図を図７（ａ）に、図７（ａ）の斜視図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図７（ｂ）に示す。図７において、リング状の二重光共振器の外側の光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコア１１とコア１１に対して積層方向の基板３１側又はその反対側のうち少なくとも基板３１側に積層されたクラッド２１とを有し、二重光共振器の内側の光共振器は光を伝搬させる半導体からなるコア１６とコア１６に対して積層方向の基板３１側又はその反対側のうち少なくとも基板３１側に積層されたクラッド２６とを有する。コア１１、１６はリング内周側及びリング外周側が空間であり、クラッド２１、２６はリング内周側及びリング外周側の全部が空間となっている。クラッド２１、２６はリング内周側及びリング外周側の一部が空間となっていてもよい。コア１１、１６の基板３１と反対側の上面に、コア１１、１６よりも屈折率の低いクラッドが積層されていても同様である。
【００５９】
また、実施の形態１〜４で説明した光共振器を入れ子構造の多重光共振器としてもよい。リング状の多重光共振器では、複数のリングに共通の共振周波数で発振するため、リング状の光共振器で発生する縦モードを減少させることができる。
【００６０】
（実施の形態６）
リング状の光共振器を構成するコアに効率的に電荷を注入するために、出来る限りコアに接する面を広くとれるような電極を構成することが望ましい。
【００６１】
例えば、図８に電極を備える発光素子の例を示す。電極を備える発光素子の平面図を図８（ａ）に、図８（ａ）の平面図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図８（ｂ）に示す。図８において、基板３１上にリング内周側及びリング外周側が空間となったクラッド２１が積層され、クラッド２１上にコア１１、外周電極４１及び内周電極４２が形成されている。
【００６２】
コア１１に電荷を効率的に注入するため、クラッド２１はＳｉＯ２等の不導体が好ましい。コア１１の両側の外周電極４１及び内周電極４２からコア１１に電荷が注入されるため、コア１１内で正孔と電子が最短走行距離で結合して発光する。
【００６３】
電極の構造を工夫すると、コアへの電荷注入を局在化することにより、発光の均一性がくずれ、コヒレントな発光が得られる。
【００６４】
例えば、図９に電極を備える発光素子の例を示す。電極を備える発光素子の平面図を図９（ａ）に、図９（ａ）の平面図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図９（ｂ）に示す。図９において、基板３１上にリング内周側及びリング外周側が空間となったクラッド２１が積層され、クラッド２１上にコア１１、クラッド２１上のコア１１のリング内周側に第一電極４３及び第二電極４４が形成されている。
【００６５】
第一電極４３と第二電極４４から電荷が注入されるため、電荷が局在化され、偶数モードのみが励起され、モード数が減少して、電荷の光発生への寄与が向上する。ここでは、２つの電極に分割したが、例えば、電極をｎ分割すると、ｎ次とその高次モードが励起される。複数電極に分割すると、モード数がさらに減少するため、電荷の光発生への寄与が一層向上する。
【００６６】
（実施の形態７）
発光素子のリング状の光共振器をディスク状の光共振器に替えた場合にも、これまで説明したと同様の発光素子を構成することができる。例えば、図１０にディスク状の光共振器を有する発光素子の例を示す。本実施の形態に係る発光素子の斜視図を図１０（ａ）に、図１０（ａ）の斜視図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図１０（ｂ）に示す。基板３１上にディスク状のクラッド２７とディスク状のコア１７が積層されている。クラッド２７及びコア１７のディスク外周面は空間に接している。図１０ではコア１７の上面は空間であるが、コア１７の上面にさらにコア１７よりも屈折率の低いクラッドが積層されていてもよい。
【００６７】
コア１７の外周面が空間に接していると、コア１７内で発生した光の閉じ込め効果が得られる。また、クラッド２７の外周面が空間に接していると、コア１７から滲入したエバネッセント波が放射モードに変換されて放出される割合を低減することができる。
【００６８】
図１１に電極を備えたディスク状の光共振器を有する発光素子の例を示す。電極を備える発光素子の平面図を図１１（ａ）に、図１１（ａ）の平面図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図１１（ｂ）に示す。基板３１上にディスク状のクラッド２７とディスク状のコア１７が積層されている。クラッド２７及びコア１７のリング外周面は空間に接している。コア１７の上面に上部電極４５、コア１７の外周側面側に下部電極４６を備え、上部電極４５及び下部電極４６から電荷が注入される。
【００６９】
クラッド２７がＳｉＯ２等の不導体であれば、図１１の構造が好ましいが、クラッド２７を半導体で構成する場合は、クラッド２７を下部電極としてもよい。
【００７０】
ディスク状の光共振器の場合には、Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ  Ｇａｌｌｅｒｙモードが生じるため、図２で説明した発光スペクトラムよりも多くの発光ピークが生じる。発光ピークが多くなると注入した電荷の不要なモードでの再結合の確率が増す問題が生じるが、コアのリング外周面に有効屈折率の特異点となるような、複数の縦溝や縦凸部を形成することによって、縦モードの数を減少させると有効である。
【００７１】
あるいは電極を分割して、発生する縦モードを減少させてもよい。例えば、図１１において、下部電極４６を廃して、上部電極４５を複数に分割したり、逆に上部電極４５を廃して、下部電極４６を複数に分割したりすることによって縦モードを減少させることができる。例えば、電極をｎ分割すると、ｎ次とその高次モードが励起される。
【００７２】
（実施の形態８）
リング状の光共振器を有する発光素子のレーザ発振はリングのコア内で生じるため、コアから出射する光は、リングの接線方向に放射される。垂直出射素子では、この放射された光を基板の上面方向に出射する構造が必要である。
【００７３】
図１２に反射壁を備える発光素子の例を示す。本実施の形態に係る反射壁を備える発光素子の平面図を図１２（ａ）に、図１２（ａ）の平面図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図１２（ｂ）に示す。光共振器の構成は実施の形態１〜７で説明したものでよい。例えば、図１２に示すように、基板３１上にリング状のクラッド２１とコア１１が積層されている。クラッド２１及びコア１１の外周面は空間に接している。光共振器の外周外側に反射壁６１を備え、光共振器から放射された出射光を基板３１の上面方向に反射する。
【００７４】
反射壁６１はエッチングにより形成することができる。エッチングは垂直エッチングではなく、等方性のエッチングを用いることによって４５度の角度を持たせることができる。
【００７５】
リング状の光共振器から出射する光は、リングの接線方向に放射される。光共振器と反射壁６１が近い場合は、放射された出射光が基板３１の上面直角方向に反射されず、斜め方向に反射される。そのため、反射壁６１は光共振器から離れていることが望ましい。例えば、光共振器の接線と反射壁６１を形づくる外周円の中心線とのなす角度が１０度以下である。
【００７６】
リング状の光共振器からの出射光は、リングの外周円の接線方向に放射される。接線方向に放射された出射光を基板の上面直角方向に反射するためには、反射壁を分割することが望ましい。図１３にリング状の光共振器と分割された反射壁を備える発光素子の例を示す。本実施の形態に係る反射壁を備える発光素子の平面図を図１３（ａ）に、図１３（ａ）の平面図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図１３（ｂ）に示す。光共振器の構成は実施の形態１〜７で説明したものでよい。例えば、図１３に示すように、基板３１上にリング状のクラッド２１とコア１１が積層されている。クラッド２１及びコア１１の外周面は空間に接している。光共振器のリング外側に反射壁６２を備え、光共振器から放射された出射光を基板３１の上面方向に反射する。反射壁６２と基板３１との交線はコア１１の外周面の接線に対して直角になるような曲線で構成されている。さらに、反射壁６２は光共振器からの出射光に対して、常に基板の上面直角方向に反射するように構成されている。このような構成の発光素子は、放射された出射光が基板３１の上面直角方向に反射される。
【００７７】
図１４に回折格子を備える発光素子の例を示す。本実施の形態に係る回折格子を備える発光素子の平面図を図１４（ａ）に、図１４（ａ）の平面図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図１４（ｂ）に示す。光共振器の構成は実施の形態１〜７で説明したものでよい。例えば、図１４に示すように、基板３１上にリング状のクラッド２１とコア１１が積層されている。クラッド２１及びコア１１の外周面は空間に接している。光共振器のリング外側に回折格子６３を備え、光共振器から放射された出射光を基板３１の上面方向に回折させる。
【００７８】
出射光の波長をλとすると、回折格子６３は光共振器からの出射光の進行方向に対して、λ／４の周期を持たせればよい。
【００７９】
リング状の光共振器からの出射光は、リングの接線方向に放射される。光共振器と回折格子６３が近い場合は、放射された出射光が基板３１の上面直角方向に回折されず、斜め方向に回折される。そのため、回折格子６３は光共振器から離れていることが望ましい。例えば、光共振器の接線と回折格子６３を形づくる外周円の中心線とのなす角度が１０度以下である。
【００８０】
リング状の光共振器からの出射光は、リングの外周円の接線方向に放射される。接線方向に放射された出射光を基板の上面直角方向に回折するためには、回折格子を分割することが望ましい。図１５にリング状の光共振器と分割された回折格子を備える発光素子の例を示す。本実施の形態に係る回折格子を備える発光素子の平面図を図１５（ａ）に、図１５（ａ）の平面図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図１５（ｂ）に示す。光共振器の構成は実施の形態１〜７で説明したものでよい。例えば、図１５に示すように、基板３１上にリング状のクラッド２１とコア１１が積層されている。クラッド２１及びコア１１の外周面は空間に接している。光共振器のリング外側に回折格子６４を備え、光共振器から放射された出射光を基板３１の上面方向に回折させる。回折格子６４はコア１１の外周面の接線に対して直角になるような曲線で構成されている。出射光の波長をλとすると、回折格子６４は光共振器からの出射光の進行方向に対して、常にλ／４の周期とすることができる。このような構成の発光素子は、放射された出射光が基板３１の上面直角方向に回折される。
【００８１】
放射された光を基板の上面方向に出射する構造の垂直出射発光素子では、同一の基板上に本願発明の発光素子と半導体回路を形成した半導体集積回路を作製することも容易となる。
【００８２】
（実施の形態９）
リング状の光共振器を有する発光素子の共振はリングのコア内で生じるため、リングからの出射光は、リングの接線方向に放射される。平面光回路では、この放射された出射光を基板面上で出力したり、基板面上で導波された入力光をリング状の共振器に結合する構造が必要である。
【００８３】
図１６に入力導波路及び出力導波路を備えた発光素子の例を示す。本実施の形態に係る入力導波路及び出力導波路を備える発光素子の斜視図を図１６（ａ）に、図１６（ａ）の平面図のＡ−Ｂ線を通る断面図を図１６（ｂ）に示す。光共振器の構成は実施の形態１〜７で説明したものでよい。例えば、図１６に示すように、基板３１上にリング状のクラッド２１とコア１１が積層されている。クラッド２１及びコア１１のリング外周面は空間に接している。
【００８４】
光共振器のリング外側にコア７１とクラッド７２とからなる入力導波路を備え、入力導波路からの入力光を光共振器にエバネッセント結合させる。光共振器のリング外側にコア７３とクラッド７４とからなる出力導波路を備え、光共振器から放射された出射光を出力導波路にエバネッセント結合させる。入力導波路の入力光の向き、光共振器の伝搬する光の向き、出力導波路の出射光の向きは図１６に示すように、それぞれが結合できる向きである。例えば、入力導波路から図１６の矢印の方向に光を入力し、光共振器を光増幅器として機能させることもできる。この場合、図１６の光共振器では矢印の方向に光が増幅されることになる。
【００８５】
ここでは、入力導波路と出力導波路の両方を備えているが、光共振器に入力するだけであれば入力導波路だけ、光共振器から出力するだけであれば出力導波路だけを備えてもよい。
【００８６】
放射された光を基板上の導波路で入射したり出射したりする平面光回路を有する発光素子では、同一の基板上に本願発明の発光素子と半導体回路を形成した半導体集積回路を作製することも容易となる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の発光素子はレーザ発振させることができるため、半導体集積回路で発光や増幅の機能を有する素子として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図２】本実施例に係る発光素子のスペクトラム例である。
【図３】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図４】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図５】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図６】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図７】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図８】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図９】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図１０】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図１１】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図１２】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図１３】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図１４】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図１５】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図１６】本実施形態に係る発光素子の外観図である。
【図１７】本実施例に係る発光素子の入出力特性例である。
【符号の説明】
【００８９】
１１、１３、１４、１５、１６、１７：コア
２１、２２、２３、２６、２７：クラッド
３１、３２：基板
５１：縦溝
５２：縦凸部
４１：外周電極
４２：内周電極
４３：第一電極
４４：第二電極
４５：上部電極
４６：下部電極
６１、６２：反射壁
６３、６４：回折格子
７１、７３：コア
７２、７４クラッド
【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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【図１６】
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【図１７】
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