CN115343801A - 光发射装置与光接收装置 - Google Patents

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Abstract

一种光发射装置与光接收装置。光发射装置包括基板、光发射芯片以及光传递构件。光发射芯片设置于上述基板，包括本体部与延伸部，上述本体部包括激光器模块、光波导以及光复用器，上述延伸部包括限位槽以及设置于上述限位槽内的光反射件。光传递构件包括固定座以及光纤缆线，上述固定座设置于上述限位槽，上述光纤缆线透过上述固定座固定于上述光发射芯片上，上述光纤缆线的一端具有聚光透镜，上述光反射件对应于上述聚光透镜设置。

Description

光发射装置与光接收装置
技术领域
本申请有关于一种光发射装置与光接收装置，尤指一种具有限位槽以设置光传递构件的光发射芯片与光接收芯片。
背景技术
光收发器用于发送和接收用于各种应用的光信号，包括互联网数据中心、有线电视宽带和光纤到户(fiber to the home，FTTH)应用等。光收发器可以包括用于发送和接收光信号的光发射模块(transmitter optical subassemblies，TOSA)和光接收模块(receiver optical subassemblies，ROSA)。传统光发射模块在组装时，必须分别与透镜、光隔离器以及光纤阵列进行光学耦合程序，导致制程繁复并影响产品的可靠度。
发明内容
有鉴于此，在本申请一实施例中，在芯片上集成激光器模块、光隔离器以及光波导，并加入限位槽以设置光传递构件且使用透镜光纤，以简化光学耦合程序。
本申请一实施例揭露一种光发射装置，包括基板、光发射芯片以及光传递构件。光发射芯片设置于上述基板，包括本体部与延伸部，上述本体部包括激光器模块、光波导以及光复用器，上述延伸部包括限位槽以及设置于上述限位槽内的光反射件。光传递构件包括固定座以及光纤缆线，上述固定座设置于上述限位槽，上述光纤缆线透过上述固定座固定于上述光发射芯片上，上述光纤缆线的一端具有聚光透镜，上述光反射件对应于上述聚光透镜设置。
根据本申请一实施例，上述限位槽的侧壁具有一光输出面，上述激光器模块所发射的光信号通过上述光输出面以平行上述基板的表面的方向射出至上述光反射件，经由上述光反射件反射后，以正交上述基板的表面的方向传递至上述聚光透镜。
本申请另一实施例揭露一种光接收装置，包括基板、光接收芯片以及光传递构件。光接收芯片设置于上述基板，包括本体部与延伸部、上述本体部包括光检测器模块、光波导以及光解复用器，上述延伸部包括限位槽以及设置于上述限位槽内的光反射件。光传递构件包括固定座以及光纤缆线，上述固定座设置于上述限位槽，上述光纤缆线透过上述固定座固定于上述光发射芯片上，上述光纤缆线的一端具有聚光透镜，上述光反射件对应于上述聚光透镜设置。
根据本申请一实施例，上述限位槽的侧壁具有一光接收面，上述聚光透镜朝上述光反射件发射光信号，上述光信号经上述光反射件反射后，以平行上述基板的表面的方向传递至上述光接收面。
根据本申请一实施例，上述限位槽具有一容置槽，用以设置上述光反射件，上述光反射件为90度反射镜。
根据本申请一实施例，上述聚光透镜固定于上述固定座，并朝向上述光反射件。
根据本申请一实施例，上述固定座包括接合端，上述接合端的剖面为上宽下窄的倒梯形结构，上述限位槽的顶部与上述固定座配合接合。
根据本申请实施例所述的光发射装置与光接收装置，将激光器模块、光复用器与光隔离器集成在同一光电芯片、以及将光检测器模块、光解复用器与光隔离器集成在同一光电芯片，可减少光耦合的次数。再者，透过在光芯片设计限位槽并将光纤缆线透过固定座设置于限位槽，即可完成光纤与光反射件的定位，而透过在光纤缆线的一端配置聚光透镜，同样也省去了光纤与聚光透镜光耦合的程序。透过本申请实施例所述的设计，因为光电芯片高度积集化的缘故，组件设置更加紧密，更可提升光耦合效率，且有效简化产品的复杂度以及组装效率。
附图说明
图1A显示根据本申请一实施例所述的光发射装置的方块示意图。
图1B显示根据本申请一实施例所述的光接收装置的方块示意图。
图2显示根据本申请一实施例所述的光发射装置的外观图。
图3显示根据本申请一实施例所述的光发射芯片与光传递构件的分离示意图。
图4显示根据本申请一实施例所述的光传递构件的部份示意图。
图5显示根据本申请一实施例所述的光发射芯片的延伸部的部份示意图。
图6显示根据本申请一实施例所述的光发射芯片与光传递构件结合时的示意图。
图7显示根据本申请一实施例所述的光接收装置的外观图。
图8显示根据本申请一实施例所述的光接收芯片与光传递构件的分离示意图。
图9显示根据本申请一实施例所述的光传递构件的部份示意图。
图10显示根据本申请一实施例所述的光接收芯片的延伸部的部份示意图。
图11显示根据本申请一实施例所述的光接收芯片与光传递构件结合时的示意图。
主要元件符号说明
光发射模块 10A
光接收模块 10B
光发射接口 11A、26A
光接收接口 11B、26B
光复用器 12A、36A
光解复用器 12B、36B
激光器模块 14A、32A
光检测器模块 14B、32B
发送处理电路 16A
接收处理电路 16B
基板 20A、20B
接合端 21A、21B、39A、39B
固定座 22A、22B
光纤缆线 24A、24B
聚光透镜 27A、27B
固定件 28A、28B
光发射芯片 30A
光接收芯片 30B
光传递构件 31A、31B
光隔离器 34A、34B
光输出面 37A
光接收面 37B
光反射件 38A、38B
本体部 40A、40B
延伸部 42A、42B
限位槽 44A、44B
容置槽 46A、46B
光信号 L1、L2
电数据信号 TX_D1-TX_D4、RX_D1-RX_D4
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于本发明技术领域的技术人员理解和实施本发明，下面结合附图与实施例对本发明进一步的详细描述，应当理解，本发明提供许多可供应用的发明概念，其可以多种特定型式实施。本发明技术领域的技术人员可利用这些实施例或其他实施例所描述的细节及其他可以利用的结构，逻辑和电性变化，在没有离开本发明的精神与范围之下以实施发明。
本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各元件的配置是为说明之用，并非用以限制本发明。且实施例中图式标号的部分重复，是为了简化说明，并非意指不同实施例之间的关联性。其中，图示和说明书中使用的相同的元件编号表示相同或类似的元件。本说明书的图示为简化的形式且并未以精确比例绘制。为清楚和方便说明起见，方向性用语(例如顶、底、上、下以及对角)是针对伴随的图示说明。而以下说明所使用的方向性用语在没有明确使用在以下所附的申请专利范围时，并非用来限制本发明的范围。
再者，在说明本申请一些实施例中，说明书以特定步骤顺序说明本申请的方法以及(或)程序。然而，由于方法以及程序并未必然根据所述的特定步骤顺序实施，因此并未受限于所述的特定步骤顺序。本发明技术领域的技术人员可知其他顺序也为可能的实施方式。因此，于说明书所述的特定步骤顺序并未用来限定申请专利范围。再者，本申请针对方法以及(或)程序的申请专利范围并未受限于其撰写的执行步骤顺序，且本发明技术领域的技术人员可了解调整执行步骤顺序并未跳脱本发明的精神以及范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
图1A显示根据本申请一实施例所述的光发射装置的方块示意图。根据本申请实施例，光发射装置包括光发射接口11A以及光发射模块(Transmitter Optical Subassembly，TOSA)10A。光发射模块10A包括发送处理电路16A、激光器模块14A以及光复用器12A。光发射装置透过光发射接口11A与光纤缆线连接。图1B显示根据本申请一实施例所述的光接收装置的方块示意图。根据本申请实施例，光接收装置包括光接收接口11B以及光接收模块(Receiver Optical Subassembly，ROSA)10B。光接收模块10B包括光解复用器12B、光检测器模块14B以及接收处理电路16B。光接收装置透过光接收接口11B与光纤缆线连接。在本实施例中，光发射接口11A以及光接收接口11B可以是ST型、SC型、FC型、与LC型等形式。
密集波长分波多任务(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技术利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。本申请一实施例利用密集波长分波多任务技术，光模块装置可以使用四个不同的通道波长(λ1、λ2、λ3、λ4)来接收或发送四个通道的数据，因此，光发射接口11A所发射的光信号L1可以具有λ1、λ2、λ3、λ4等四种波长，而光接收接口11B所接收的光信号L2可以具有λ1、λ2、λ3、λ4等四种波长，而光检测器模块14B的光检测组件以及激光器模块14A的激光组件个数也与信道的个数对应配置。虽然本实施利是以四个信道配置为例，但是其他信道配置(例如，2、8、16、32等等)也在本申请的范围内。
参阅图1A，发送处理电路16A接收的电数据信号(TX_D1至TX_D4)，经过转换处理后，输出至激光器模块14A，激光器模块14A将所接收的电数据信号分别调制为光信号。激光器模块14A可以包括单个或多个垂直腔面发射雷射二极管(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser Diode，VCSEL)，或称面射型雷射二极管，多个垂直腔面发射雷射二极管构成阵列，并由驱动晶片驱动而发射光讯号。在其他实施例中，亦可使用其他可作为光源的元件，例如发光二极管(LED)、边射型雷射二极管(Edge Emitting Laser Diode，EELD)、具有衍射光栅的分布式反馈(Distributed Feedback Laser，DFB)激光器或电吸收调制激光(Electlro-absorption Modulated Laser，EML)二极管封装。光复用器12A将对应于电数据信号(TX_D1至TX_D4)的调制光信号转换为包括λ1、λ2、λ3、λ4等四种波长的光信号L1，并传送至光发射接口11A以输出至光纤缆线。
参阅图1B，光信号L2经由光接收接口11B传送至光解复用器12B，根据本申请实施例，光解复用器12B利用阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)技术将光信号L2区分为对应于λ1、λ2、λ3、λ4等四种波长的光信号。光检测器模块14B(在本实施例中为四个)检测光信号并产生对应的电信号，根据本申请实施例，光检测器模块14B可包括PIN(P-doped-intrinsic-doped-N)二极管或雪崩式光电二极管(Avalance Photodiode，APD)。光检测器模块14B所产生的电信号再经由接收处理电路16B的放大电路(例如跨阻放大器(Trans-impedanceamplifier，TIA))以及转换电路处理之后，即可取得光信号L2所传送的电数据信号(例如RX_D1至RX_D4)。根据本申请其他实施例，光解复用器12B也可使用介质膜滤光片(Thin-film filter，TFF)以及光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)等相关技术来将光信号L2转换为不同波长的光信号。
根据本申请实施例，光发射模块10A与光接收模块10B尚包括其他功能电路元件,例如用来驱动激光器模块14A的激光器驱动器、功率控制器(Automatic Power Control，APC)，用来监测激光器功率的监控光学二极管(Monitor Photo Diode,MPD)，及其他实施光信号发射功能以及接收光信号并处理所必要的电路元件，以及用以处理光接收模块10B传来的电讯号和要传送至光发射模块10A的电讯号的数位讯号处理积体电路，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。
图2显示根据本申请一实施例所述的光发射装置的外观图。如图2所示，根据本申请一实施例所述的光发射装置的为一种硅光模块封装，包括基板20A、光发射芯片30A、以及光传递构件31A。光传递构件31A包括固定座22A、光纤缆线24A以及光发射接口26A。光纤缆线24A透过固定座22A可分离地固定于光发射芯片30A上。光发射接口26A透过光纤缆线24A光耦合至光发射芯片30A。光纤缆线24A用以将经由光发射芯片30A所发射的光信号传送至光发射接口26A。根据本申请一实施例，光发射芯片30A可透过黏着层贴在基板20A上，并执行打线接合(Wire Bonding)、卷带自动接合(Tape Automated Bonding，TAB)、覆晶接合(Flip Chip，FC)等电性连接程序。基板20A可用不同的材料制作，如塑料材料、环氧材料、复合材料、FR-4材料或陶瓷材料制作。基板20A上具有预先设计的内连线结构、透过网版印刷方式形成的印刷电路以及用来实施光信号发射或接收功能所必要的电路元件，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。
光发射芯片30A包括本体部40A与延伸部42A。本体部40A整合了激光器模块32A、光隔离器34A以及光复用器36A，还可根据需要整合监控光学二极管，并透过光波导(opticalwaveguide)传送光信号。激光器模块32A将所接收的电数据信号调制为不同波长的光信号，并传送至光复用器36A，光复用器36A利用波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术将多种不同波长的光信号汇合在一起，并传送至光纤缆线24A。在激光器模块32A与光复用器36A之间，可设置光隔离器34A。光隔离器是一种非互易光学元件，它只容许光束沿激光器模块32A至光复用器36A的方向通过，对反射光有很强的阻挡作用。激光器模块32A所发出的光信号是透过光波导在光发射芯片30A内部传递。关于光发射芯片30A整合激光器模块32A、光隔离器34A、光复用器36A以及光波导的方式与结构，本领域技术人员可根据实际设计而配置，在此不予赘述以精简说明。
图3显示根据本申请一实施例所述的光发射芯片与光传递构件的分离示意图。根据本申请一实施例，光发射芯片30A包括本体部40A与延伸部42A。延伸部42A包括限位槽44A，限位槽44A底部还具有容置槽46A，用以设置光反射件。光传递构件的固定座22A与限位槽44A对应，并可设置于限位槽44A中。根据本申请一实施例，固定座22A可透过胶水或UV胶固定于延伸部42A的限位槽44A。根据本申请另一实施例，固定座22A也可与限位槽44A过盈配合而固定于延伸部42A。
图4显示根据本申请一实施例所述的光传递构件的部份示意图。根据本申请一实施例，固定座22A包括接合端21A，接合端21A的剖面为上宽下窄的倒梯形结构。光纤缆线24A的一端具有聚光透镜27A，并透过固定件28A固定于固定座22A的接合端21A。固定件28A可为黏胶或其他卡合结构以将聚光透镜27A固定于接合端21A中适合的位置。
图5显示根据本申请一实施例所述的光发射芯片的延伸部的部份示意图。根据本申请一实施例，限位槽44A的侧壁具有光输出面37A，光反射件38A为90度反射镜，具有一斜面，与光发射芯片底部的表面之间呈45度倾斜。限位槽44A的顶部周围具有接合端39A，接合端39A的侧壁与限位槽44A的底面具有60度-85度的夹角，以搭配固定座22A的接合端21A的形状，当光发射芯片与光传递构件结合时，固定座22A的接合端21A与光发射芯片的接合端39A相接。
图6显示根据本申请一实施例所述的光发射芯片与光传递构件结合时的示意图。当光发射芯片与光传递构件结合时，光发射芯片的激光器模块所发射的光信号L1通过光输出面37A以平行基板或光发射芯片底部的表面的方向射出至光反射件38A，光信号L1经光反射件38A反射后，以正交基板或光发射芯片底部的表面的方向传递，如图所示为朝远离光发射芯片的方向传递。由于聚光透镜27A与光反射件38A的位置互相对应，因此聚光透镜27A朝向并对准光反射件38A，使得经光反射件38A反射的光信号L1传递至聚光透镜27A。如图6所示，当固定座22A安装于限位槽44A时，由于光传递构件31A的聚光透镜27A受到固定座22A与限位槽44A的准确定位可对准光反射件38A，即可完成光纤缆线24A的聚光透镜35A与光发射芯片的光学对准程序。
图7显示根据本申请一实施例所述的光接收装置的外观图。如图7所示，根据本申请一实施例所述的光接收装置的为一种硅光模块封装，包括基板20B、光接收芯片30B、以及光传递构件31B。光传递构件31B包括固定座22B、光纤缆线24B以及光接收接口26B。光纤缆线24B透过固定座22B可分离地固定于光接收芯片30B上。光接收接口26B透过光纤缆线24B光耦合至光接收芯片30B。光纤缆线24B用以将经由光接收接口26B所接收的光信号传送至光接收芯片30B。根据本申请一实施例，光接收芯片30B可透过黏着层贴在基板20B上，并执行打线接合(Wire Bonding)、卷带自动接合(Tape Automated Bonding，TAB)、覆晶接合(Flip Chip，FC)等电性连接程序。基板20B可用不同的材料制作，如塑料材料、环氧材料、复合材料、FR-4材料或陶瓷材料制作。基板20B上具有预先设计的内连线结构、透过网版印刷方式形成的印刷电路以及用来实施光信号发射或接收功能所必要的电路元件，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。
光接收芯片30B包括本体部40B与延伸部42B。本体部40B整合了光检测器模块32B、光隔离器34B以及光解复用器36B，并透过光波导(optical waveguide)传送光信号。光解复用器36B将所接收的光信号区分为不同波长的光信号，并传送至光检测器模块32B。光检测器模块32B检测光信号并产生对应的电信号。在光解复用器36B与光检测器模块32B之间，可设置光隔离器34B。光隔离器是一种非互易光学元件，它只容许光束沿光解复用器36B至光检测器模块32B的方向通过，对反射光有很强的阻挡作用。光信号可透过光波导在光接收芯片30B内部传递。透过光波导传递光信号的技术为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。关于光接收芯片30B整合光检测器模块32B、光隔离器34B、光解复用器36B以及光波导的方式与结构，本领域技术人员可根据实际设计而配置，在此不予赘述以精简说明。
图8显示根据本申请一实施例所述的光接收芯片与光传递构件的分离示意图。根据本申请一实施例，光接收芯片30B包括本体部40B与延伸部42B。延伸部42B包括限位槽44B，限位槽44B底部还具有容置槽46B，用以设置光反射件。光传递构件的固定座22B与限位槽44B对应，并可设置于限位槽44B中。根据本申请一实施例，固定座22B可透过胶水或UV胶固定于延伸部42B的限位槽44B。根据本申请另一实施例，固定座22B也可与限位槽44B过盈配合而固定于延伸部42B。
图9显示根据本申请一实施例所述的光传递构件的部份示意图。根据本申请一实施例，固定座22B包括接合端21B，接合端21B的剖面为上宽下窄的倒梯形结构。光纤缆线24B的一端具有聚光透镜27B，并透过固定件28B固定于固定座22B的接合端21B。固定件28B可为黏胶或其他卡合结构以将聚光透镜27B固定于接合端21B中适合的位置。
图10显示根据本申请一实施例所述的光接收芯片的延伸部的部份示意图。根据本申请一实施例，限位槽44B的侧壁具有光接收面37B，光反射件38B为90度反射镜，具有一斜面，与光接收芯片底部的表面之间呈45度倾斜。限位槽44B的顶部周围具有接合端39B，接合端39B的侧壁与限位槽44B的底面具有60度-85度的夹角，以搭配固定座22B的接合端21B的形状，当光接收芯片与光传递构件结合时，固定座22B的接合端21B与光接收芯片的接合端39B相接。
图11显示根据本申请一实施例所述的光接收芯片与光传递构件结合时的示意图。当光接收芯片与光传递构件结合时，光纤缆线24B的聚光透镜27B朝向光反射件38B发射光信号L2，意即，以正交基板或光接收芯片底部的表面的方向传递。光信号L2经光反射件38B反射后，以平行基板或光接收芯片底部的表面的方向射出至光接收面37B，使得光信号L2能够透过光接收芯片内部的光波导传递。由于聚光透镜27B与光反射件38B的位置互相对应，因此聚光透镜27B朝向并对准光反射件38B，使得经光反射件38B反射的光信号L2能够传递至光接收面37B。如图11所示，当固定座22B安装于限位槽44B时，由于光传递构件31B的聚光透镜27B受到固定座22B与限位槽44B的准确定位可对准光反射件38B，即可完成光纤缆线24B的聚光透镜35B与光接收芯片的光学对准程序。
根据本申请实施例所述的光发射装置与光接收装置，将激光器模块、光复用器与光隔离器集成在同一光电芯片、以及将光检测器模块、光解复用器与光隔离器集成在同一光电芯片，可减少光耦合的次数。再者，透过在光芯片设计限位槽并将光纤缆线透过固定座设置于限位槽，即可完成光纤与光反射件的定位，而透过在光纤缆线的一端配置聚光透镜，同样也省去了光纤与聚光透镜光耦合的程序。透过本申请实施例所述的设计，因为光电芯片高度积集化的缘故，组件设置更加紧密，更可提升光耦合效率，且有效简化产品的复杂度以及组装效率。
以上概述之许多实施例的特征使得本领域的普通技术人员能够更了解本发明之范围。本领域的普通技术人员能够以本揭露为基础而设计或修改其他制程以及结构，以实现在本发明之实施例所介绍的相同特征及/或达成相同的优点。本领域的普通技术人员也了解，这些等效的结构并不背离本揭露之精神与范围，并且他们也能够在不背离本发明之精神与范围的情况下，改变、替换、以及变动本发明之特征，而这些改变和调整都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光发射装置，其特征在于，包括：
一基板；
一光发射芯片，设置于上述基板，包括本体部与延伸部，上述本体部包括激光器模块、光波导以及光复用器，上述延伸部包括限位槽以及设置于上述限位槽内的光反射件；以及
一光传递构件，包括一固定座以及一光纤缆线，上述固定座设置于上述限位槽，上述光纤缆线透过上述固定座可分离地固定于上述光发射芯片上，上述光纤缆线的一端具有聚光透镜，上述光反射件对应于上述聚光透镜设置。
2.如权利要求1所述的光发射装置，其特征在于，上述限位槽具有一容置槽，用以设置上述光反射件，上述光反射件为90度反射镜。
3.如权利要求1所述的光发射装置，其特征在于，上述限位槽的侧壁具有一光输出面，上述激光器模块所发射的光信号通过上述光输出面以平行上述基板的表面的方向射出至上述光反射件，经由上述光反射件反射后，以正交上述基板的表面的方向传递至上述聚光透镜。
4.如权利要求1所述的光发射装置，其特征在于，上述聚光透镜固定于上述固定座，并朝向上述光反射件。
5.如权利要求1所述的光发射装置，其特征在于，上述固定座包括接合端，上述接合端的剖面为上宽下窄的倒梯形结构，上述限位槽的顶部与上述固定座配合接合。
6.一种光接收装置，其特征在于，包括：
一基板；
一光接收芯片，设置于上述基板，包括本体部与延伸部，上述本体部包括光检测器模块、光波导以及光解复用器，上述延伸部包括限位槽以及设置于上述限位槽内的光反射件；以及
一光传递构件，包括一固定座以及一光纤缆线，上述固定座设置于上述限位槽，上述光纤缆线透过上述固定座可分离地固定于上述光发射芯片上，上述光纤缆线的一端具有聚光透镜，上述光反射件对应于上述聚光透镜设置。
7.如权利要求6所述的光接收装置，其特征在于，上述限位槽具有一容置槽，用以设置上述光反射件，上述光反射件为90度反射镜。
8.如权利要求6所述的光接收装置，其特征在于，上述限位槽的侧壁具有一光接收面，上述聚光透镜朝上述光反射件发射光信号，上述光信号经上述光反射件反射后，以平行上述基板的表面的方向传递至上述光接收面。
9.如权利要求6所述的光接收装置，其特征在于，上述聚光透镜固定于上述固定座，并朝向上述光反射件。
10.如权利要求6所述的光接收装置，其特征在于，上述固定座包括接合端，上述接合端的剖面为上宽下窄的倒梯形结构，上述限位槽的顶部与上述固定座配合接合。
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