JP3426661B2 - 光アイソレータ - Google Patents
光アイソレータInfo
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- JP3426661B2 JP3426661B2 JP22316493A JP22316493A JP3426661B2 JP 3426661 B2 JP3426661 B2 JP 3426661B2 JP 22316493 A JP22316493 A JP 22316493A JP 22316493 A JP22316493 A JP 22316493A JP 3426661 B2 JP3426661 B2 JP 3426661B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複屈折素子を用いた偏
波無依存型の光アイソレータに関する。 【0002】 【従来技術】半導体レーザー(レーザーダイオード:以
下LD)を光源とする光通信や光計測では、伝送経路の
途中で反射された光が光源であるLDの活性層まで戻る
と、発振波長や出力の変動を起こして正確な信号の伝送
や計測ができなくなる。この反射の原因は様々有り、単
に光ファイバや光学素子、あるいは接続される装置の各
入出射面で反射が生じるだけでなく、光ファイバの傷、
光ファイバへの応力、光ファイバの曲がりや屈折率の不
均一等の回避不可能な要因によるものもある。従って、
光源にLDを用いた伝送経路には反射光を防ぐ手段が不
可欠である。光アイソレータは、この様なLDへの反射
戻り光を防ぐデバイスである。 【0003】今まで光アイソレータとしては、バルク型
のファラデー回転子と偏光子を組み合わせたものが実用
上用いられてきた。また、光ファイバアンプや伝送路中
の任意の箇所にアイソレータを組み込む場合はアイソレ
ータの入出射端にレンズ、ファイバを取り付けたインラ
イン型あるいはピグテイル型と呼ばれるものが使われ
る。 【0004】図6はインライン型アイソレータの従来例
である。光学軸が表面と傾くように平行平板に形成した
第1の複屈折板2と、それぞれこの第1の複屈折板2と
同じ表面と光学軸の傾き角を持つと共に、第1の複屈折
板2の1/√2の厚さを有し、第1の複屈折板2に対し
て入射光線方向を軸としてそれぞれ45度の角度だけ回
転して配置した第2の複屈折板3および第3の複屈折板
4と、第1および第2の複屈折板間に挿入され、光軸と
平行な磁界によって偏光面の回転を45度としたファラ
デー回転子5からなっている。 【0005】入射側光信号ビーム6が第1の複屈折板2
に入射すると直交する2つの直線偏光(常光、異常光)
に分離され、平行な2本の光として直進し、ファラデー
回転子5で偏光面をそれぞれ45度回転させる。ファラ
デー回転子5を出た光は、光学軸をファラデー効果によ
る偏光面の回転方向と同じ向きに成すようにおかれた第
2の複屈折板3に入る。この複屈折板の光学軸と平行な
偏光面を持つ光はずれた位置から出射され、第3の複屈
折板4で一本の光線に合成される。この方向を順方向と
する。 【0006】次に右方(この方向を逆方向とする)から
来た光は第3の複屈折板4を通り第2の複屈折板3を出
射されるまでは上記説明の逆を進むだけであるが、ファ
ラデー回転子5で非相反な偏光面の回転を受けるのでフ
ァラデー回転子5から出射された光は左方から来た場合
と90度異なる偏光面を持つことになる。従って、第1
の複屈折板2に右方から入射した光は出射光7のように
左方からの場合と違う位置に出射されることになり遮断
され、順方向入射ビームに対しては原理的には無損失で
あってこの入射光ビームの偏光状態に依存して損失が変
わることも原理的にはない。現実にはこの光アイソレー
タを構成する素子に若干の損失はあるが、低損失な素子
を用いることが可能だから、低損失でしかも入射光ビー
ムの偏光状態にほとんど依存しない光アイソレータを実
現することができる。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図6の
様な構成の光アイソレータにより逆方向の光を入射側光
ファイバに入射させないためには、複屈折板での偏光分
離距離を光信号ビーム径より大きくしてあげなければな
らない。複屈折板の偏光分離距離を大きくするには複屈
折板の厚みが必要となり、また、材料自体が高価な複屈
折板を使用するため、小型で安価な製品を提供すること
が困難である。それゆえ、逆方向損失を上げ、複屈折板
を厚くしないということはトレードオフの関係にある。 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明は上述の問題点を
解決すべく、順方向の光信号ビームが通過する前段の複
屈折板の片面に、光信号ビームの有効ビーム径部分を光
路アパーチャとして、この部分を除いた部分に偏向作用
を有し、回折効率が100%に近いホログラムを形成あ
るいは配設させるた光アイソレータである。 【0009】本発明によれば、光信号ビームと逆方向に
向かって進行する戻り光が、逆方向前段の複屈折板によ
り互いに偏光の異なる2本の分離した光線となり、最終
段の複屈折板に入射し、その複屈折板から出射すると
き、その部分に形成された偏向機能を有するホログラム
によって入射ファイバとはそれぞれ離れる方向へ偏向さ
れる。これにより、戻り光は入射ファイバに戻ることが
なく逆方向損失を大きくすることが可能になると同時
に、ホログラムにより入射ファイバへの戻り光を完全に
離すことができるため、無理に複屈折板による分離距離
を広げる、つまり、複屈折板を厚くする必要がなくな
る。 【0010】 【実施例】図1(a)は本発明の第1の実施例である。
この光アイソレータは図6に示す従来の光アイソレータ
と同様逆方向の光が第1の光ファイバ(入射側光ファイ
バ)10に再び入射せぬよう第1の複屈折板2、ファラデ
ー回転子5、第2の複屈折板3、及び第3の複屈折板4
が順次配列されている。なお、ファラデー回転子5への
飽和磁界印加のための磁石は省略している。 【0011】ここで、複屈折板2、3、4には、水晶、
方解石、ルチル(TiO2 )単結晶のごとき非対象形の
ものが使用されている。他方、ファラデー回転子5には
YIG単結晶が使用されている。さらに複屈折板2、
3、4、及びファラデー回転子5の表面にはともに反射
防止膜が被覆されそれぞれから反射が起こらないように
してある。 【0012】また、この光アイソレータは、図6に示す
従来の光アイソレータとは異なり、図1(b)のように
第1の複屈折板2の入射側光信号ビーム6が入射する片
側表面に、この位置の光信号ビーム6の有効ビーム径部
分14を除いて回折作用を有するホログラム12、13が形成
されている。 【0013】そして、光ファイバの光アイソレーション
を行う場合には光アイソレータの1の前後の光信号ビー
ム経路にレンズ8、9を配設し、この結像レンズ8、9
を介してインライン型アイソレータ1を光ファイバ10、
11に接続する。 【0014】この場合、第1の複屈折板2側の入射側光
ファイバ10から出力された入射側光信号ビーム6はレン
ズ8により平行光となって第1の複屈折板2の有効ビー
ム径部分14を通過し、第1の複屈折板2により2本の平
行光となって出射し、ファラデー回転子5を通過し、第
2の複屈折板3、及び第3の複屈折板4により1本の平
行光に合成され、レンズ9によって出射側ファイバ11
に損失なく集光する。 【0015】これに対し、通常、出射側光ファイバ11
から入射してくる戻り光は、複屈折板4、3、2におい
て2本の光線に分離してひろがり、第1の複屈折板2の
片面に形成されたホログラムにあたり偏向し、入射側の
光ファイバには戻ることがなく優れた光アイソレーショ
ンが達成されることとなる。この際、レンズ8による平
行光のビーム径が1だったとすると複屈折板の片面の有
効ビーム径部分は約1と設定される。 【0016】ここで、このホログラム素子は体積屈折率
変調型のホログラムである。ホログラムとは干渉縞を記
録した公知の素子であるが、特に体積屈折率変調型のホ
ログラムは、理論的には100%、発表されている実験
結果からも99%以上の回折効率が実現できるものであ
る。回折効率とは、ホログラムへの入射光パワーに対す
る一次回折光パワーの比であり、回折効率が100%で
あるということは、所望の偏向方向へ全ての光を送るこ
とが可能であるということに他ならない。このホログラ
ムの作成は、CGH(Computar Generated Hologram) に
より干渉縞形状を計算し、それにもとずきEB描画によ
りマスターを作成し、そのマスターを体積ホログラム用
フォトポリマー感光材料に転写する。 【0017】図2にマスターとするCGHパターンのイ
メージ図を示す。逆方向ビーム15と、16とが照射する部
分では干渉縞形状は異なり(第1の干渉縞部17、第2の
干渉縞部18)それぞれ入射側光ファイバ10から離れる方
向へ回折するように計算されている。CGHの計算モデ
ルを図3に示す。同図(a)において、第1の干渉縞部
17での参照光は、逆方向ビーム15にあたるため、計算モ
デルは第1の複屈折板2の分離角θr で基準面19に入射
する平行光を参照光20として、参照光と同じ方向でθ0
>θr となるよう平行光として物体光21を照射し基準面
19での参照光20と物体光21との干渉縞形状を計算する。
一方、同図(b)において、第2の干渉縞部18では参照
光は逆方向ビーム16にあたるため、計算モデルは入射角
0゜で基準面19に入射する平行光を参照光として、参照
光に対し図では上の方向からθ0>0となるような平行
光を物体光23として基準面19に照射したときの基準面で
の干渉縞形状を計算する。なお、転写するときの光源波
長(λ0 )と再生するとき、つまり、光アイソレータに
組み込んだときの光ビームの波長( λj )が異なるとき
は、所望の回折角を得るための参照光の入射角(θj )
を記録入射角(θ0)に対し数1の式のごとく考慮する
必要がある。このように計算されたCGHパターンをE
B描画法により描いたものをマスターホログラムとす
る。 【0018】 【数1】 【0019】次の図4にマスターの転写方法を示す。転
写光24は感光材料が感度を示すところの波長を有するコ
ヒーレント光源である。体積型ホログラム用未露光乾板
25に先のマスターホログラム26を密着させる(説明のた
め図ではマスターホログラムと未露光乾板を離して示し
ている)。転写光はアイソレータに用いる再生光で照射
したときに回折光が最大となるような角度で入射させ
る。体積型ホログラム用未露光乾板25には、透過光27と
回折光28が干渉してできる干渉縞を記録することにな
る。このホログラムはマスターを転写して複製を行って
いるので量産が可能であると同時に安価である。。 【0020】このように作成したホログラム素子は、第
1の複屈折板2の入射ファイバ側に、計算で考慮した参
照光と、逆方向ビーム15と16とが一致するよう精度よく
貼りつける。 【0021】図5に本発明第2の実施例を示す。第1の
実施例における体積型ホログラムを深溝タイプの表面レ
リーフ型のホログラム29とすることでも同様の効果が得
られる。深溝タイプの回折格子も回折効率が高く、プレ
ス加工により量産も容易である。 【0022】 【発明の効果】従来のインライン型光アイソレータの第
1段目の複屈折板の片面にホログラムを形成させること
により、逆方向損失を大きくでき、さらにはコスト高の
原因となる複屈折板を薄くすることが可能となり、高性
能で低価格な光アイソレータを提供することが可能とな
る。
波無依存型の光アイソレータに関する。 【0002】 【従来技術】半導体レーザー(レーザーダイオード:以
下LD)を光源とする光通信や光計測では、伝送経路の
途中で反射された光が光源であるLDの活性層まで戻る
と、発振波長や出力の変動を起こして正確な信号の伝送
や計測ができなくなる。この反射の原因は様々有り、単
に光ファイバや光学素子、あるいは接続される装置の各
入出射面で反射が生じるだけでなく、光ファイバの傷、
光ファイバへの応力、光ファイバの曲がりや屈折率の不
均一等の回避不可能な要因によるものもある。従って、
光源にLDを用いた伝送経路には反射光を防ぐ手段が不
可欠である。光アイソレータは、この様なLDへの反射
戻り光を防ぐデバイスである。 【0003】今まで光アイソレータとしては、バルク型
のファラデー回転子と偏光子を組み合わせたものが実用
上用いられてきた。また、光ファイバアンプや伝送路中
の任意の箇所にアイソレータを組み込む場合はアイソレ
ータの入出射端にレンズ、ファイバを取り付けたインラ
イン型あるいはピグテイル型と呼ばれるものが使われ
る。 【0004】図6はインライン型アイソレータの従来例
である。光学軸が表面と傾くように平行平板に形成した
第1の複屈折板2と、それぞれこの第1の複屈折板2と
同じ表面と光学軸の傾き角を持つと共に、第1の複屈折
板2の1/√2の厚さを有し、第1の複屈折板2に対し
て入射光線方向を軸としてそれぞれ45度の角度だけ回
転して配置した第2の複屈折板3および第3の複屈折板
4と、第1および第2の複屈折板間に挿入され、光軸と
平行な磁界によって偏光面の回転を45度としたファラ
デー回転子5からなっている。 【0005】入射側光信号ビーム6が第1の複屈折板2
に入射すると直交する2つの直線偏光(常光、異常光)
に分離され、平行な2本の光として直進し、ファラデー
回転子5で偏光面をそれぞれ45度回転させる。ファラ
デー回転子5を出た光は、光学軸をファラデー効果によ
る偏光面の回転方向と同じ向きに成すようにおかれた第
2の複屈折板3に入る。この複屈折板の光学軸と平行な
偏光面を持つ光はずれた位置から出射され、第3の複屈
折板4で一本の光線に合成される。この方向を順方向と
する。 【0006】次に右方(この方向を逆方向とする)から
来た光は第3の複屈折板4を通り第2の複屈折板3を出
射されるまでは上記説明の逆を進むだけであるが、ファ
ラデー回転子5で非相反な偏光面の回転を受けるのでフ
ァラデー回転子5から出射された光は左方から来た場合
と90度異なる偏光面を持つことになる。従って、第1
の複屈折板2に右方から入射した光は出射光7のように
左方からの場合と違う位置に出射されることになり遮断
され、順方向入射ビームに対しては原理的には無損失で
あってこの入射光ビームの偏光状態に依存して損失が変
わることも原理的にはない。現実にはこの光アイソレー
タを構成する素子に若干の損失はあるが、低損失な素子
を用いることが可能だから、低損失でしかも入射光ビー
ムの偏光状態にほとんど依存しない光アイソレータを実
現することができる。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図6の
様な構成の光アイソレータにより逆方向の光を入射側光
ファイバに入射させないためには、複屈折板での偏光分
離距離を光信号ビーム径より大きくしてあげなければな
らない。複屈折板の偏光分離距離を大きくするには複屈
折板の厚みが必要となり、また、材料自体が高価な複屈
折板を使用するため、小型で安価な製品を提供すること
が困難である。それゆえ、逆方向損失を上げ、複屈折板
を厚くしないということはトレードオフの関係にある。 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明は上述の問題点を
解決すべく、順方向の光信号ビームが通過する前段の複
屈折板の片面に、光信号ビームの有効ビーム径部分を光
路アパーチャとして、この部分を除いた部分に偏向作用
を有し、回折効率が100%に近いホログラムを形成あ
るいは配設させるた光アイソレータである。 【0009】本発明によれば、光信号ビームと逆方向に
向かって進行する戻り光が、逆方向前段の複屈折板によ
り互いに偏光の異なる2本の分離した光線となり、最終
段の複屈折板に入射し、その複屈折板から出射すると
き、その部分に形成された偏向機能を有するホログラム
によって入射ファイバとはそれぞれ離れる方向へ偏向さ
れる。これにより、戻り光は入射ファイバに戻ることが
なく逆方向損失を大きくすることが可能になると同時
に、ホログラムにより入射ファイバへの戻り光を完全に
離すことができるため、無理に複屈折板による分離距離
を広げる、つまり、複屈折板を厚くする必要がなくな
る。 【0010】 【実施例】図1(a)は本発明の第1の実施例である。
この光アイソレータは図6に示す従来の光アイソレータ
と同様逆方向の光が第1の光ファイバ(入射側光ファイ
バ)10に再び入射せぬよう第1の複屈折板2、ファラデ
ー回転子5、第2の複屈折板3、及び第3の複屈折板4
が順次配列されている。なお、ファラデー回転子5への
飽和磁界印加のための磁石は省略している。 【0011】ここで、複屈折板2、3、4には、水晶、
方解石、ルチル(TiO2 )単結晶のごとき非対象形の
ものが使用されている。他方、ファラデー回転子5には
YIG単結晶が使用されている。さらに複屈折板2、
3、4、及びファラデー回転子5の表面にはともに反射
防止膜が被覆されそれぞれから反射が起こらないように
してある。 【0012】また、この光アイソレータは、図6に示す
従来の光アイソレータとは異なり、図1(b)のように
第1の複屈折板2の入射側光信号ビーム6が入射する片
側表面に、この位置の光信号ビーム6の有効ビーム径部
分14を除いて回折作用を有するホログラム12、13が形成
されている。 【0013】そして、光ファイバの光アイソレーション
を行う場合には光アイソレータの1の前後の光信号ビー
ム経路にレンズ8、9を配設し、この結像レンズ8、9
を介してインライン型アイソレータ1を光ファイバ10、
11に接続する。 【0014】この場合、第1の複屈折板2側の入射側光
ファイバ10から出力された入射側光信号ビーム6はレン
ズ8により平行光となって第1の複屈折板2の有効ビー
ム径部分14を通過し、第1の複屈折板2により2本の平
行光となって出射し、ファラデー回転子5を通過し、第
2の複屈折板3、及び第3の複屈折板4により1本の平
行光に合成され、レンズ9によって出射側ファイバ11
に損失なく集光する。 【0015】これに対し、通常、出射側光ファイバ11
から入射してくる戻り光は、複屈折板4、3、2におい
て2本の光線に分離してひろがり、第1の複屈折板2の
片面に形成されたホログラムにあたり偏向し、入射側の
光ファイバには戻ることがなく優れた光アイソレーショ
ンが達成されることとなる。この際、レンズ8による平
行光のビーム径が1だったとすると複屈折板の片面の有
効ビーム径部分は約1と設定される。 【0016】ここで、このホログラム素子は体積屈折率
変調型のホログラムである。ホログラムとは干渉縞を記
録した公知の素子であるが、特に体積屈折率変調型のホ
ログラムは、理論的には100%、発表されている実験
結果からも99%以上の回折効率が実現できるものであ
る。回折効率とは、ホログラムへの入射光パワーに対す
る一次回折光パワーの比であり、回折効率が100%で
あるということは、所望の偏向方向へ全ての光を送るこ
とが可能であるということに他ならない。このホログラ
ムの作成は、CGH(Computar Generated Hologram) に
より干渉縞形状を計算し、それにもとずきEB描画によ
りマスターを作成し、そのマスターを体積ホログラム用
フォトポリマー感光材料に転写する。 【0017】図2にマスターとするCGHパターンのイ
メージ図を示す。逆方向ビーム15と、16とが照射する部
分では干渉縞形状は異なり(第1の干渉縞部17、第2の
干渉縞部18)それぞれ入射側光ファイバ10から離れる方
向へ回折するように計算されている。CGHの計算モデ
ルを図3に示す。同図(a)において、第1の干渉縞部
17での参照光は、逆方向ビーム15にあたるため、計算モ
デルは第1の複屈折板2の分離角θr で基準面19に入射
する平行光を参照光20として、参照光と同じ方向でθ0
>θr となるよう平行光として物体光21を照射し基準面
19での参照光20と物体光21との干渉縞形状を計算する。
一方、同図(b)において、第2の干渉縞部18では参照
光は逆方向ビーム16にあたるため、計算モデルは入射角
0゜で基準面19に入射する平行光を参照光として、参照
光に対し図では上の方向からθ0>0となるような平行
光を物体光23として基準面19に照射したときの基準面で
の干渉縞形状を計算する。なお、転写するときの光源波
長(λ0 )と再生するとき、つまり、光アイソレータに
組み込んだときの光ビームの波長( λj )が異なるとき
は、所望の回折角を得るための参照光の入射角(θj )
を記録入射角(θ0)に対し数1の式のごとく考慮する
必要がある。このように計算されたCGHパターンをE
B描画法により描いたものをマスターホログラムとす
る。 【0018】 【数1】 【0019】次の図4にマスターの転写方法を示す。転
写光24は感光材料が感度を示すところの波長を有するコ
ヒーレント光源である。体積型ホログラム用未露光乾板
25に先のマスターホログラム26を密着させる(説明のた
め図ではマスターホログラムと未露光乾板を離して示し
ている)。転写光はアイソレータに用いる再生光で照射
したときに回折光が最大となるような角度で入射させ
る。体積型ホログラム用未露光乾板25には、透過光27と
回折光28が干渉してできる干渉縞を記録することにな
る。このホログラムはマスターを転写して複製を行って
いるので量産が可能であると同時に安価である。。 【0020】このように作成したホログラム素子は、第
1の複屈折板2の入射ファイバ側に、計算で考慮した参
照光と、逆方向ビーム15と16とが一致するよう精度よく
貼りつける。 【0021】図5に本発明第2の実施例を示す。第1の
実施例における体積型ホログラムを深溝タイプの表面レ
リーフ型のホログラム29とすることでも同様の効果が得
られる。深溝タイプの回折格子も回折効率が高く、プレ
ス加工により量産も容易である。 【0022】 【発明の効果】従来のインライン型光アイソレータの第
1段目の複屈折板の片面にホログラムを形成させること
により、逆方向損失を大きくでき、さらにはコスト高の
原因となる複屈折板を薄くすることが可能となり、高性
能で低価格な光アイソレータを提供することが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す図で、(a)は光
アイソレータの構造図、(b)は複屈折板の表面図。 【図2】マスターホログラムのイメージ図。 【図3】(a)(b)はCGHの計算モデル。 【図4】マスターの転写方法を示す図。 【図5】本発明の第2の実施例を示す図。 【図6】インライン型アイソレータの従来例を示す構造
図。 【符号の説明】 1・・・インライン型アイソレータ 2・・・第
1の複屈折板 3・・・第2の複屈折板 4・・・第
3の複屈折板 5・・・ファラデー回転子 6・・・入
射側光信号ビーム 7・・・出射光 8、9・・
・レンズ 10・・・入射側光ファイバ 11・・・
出射側光ファイバ 12、13・・・ホログラム 14・・・有効ビーム径部分(光路アパーチャ) 15、16・・・逆方向ビーム 17・・・
第1の干渉縞部 18・・・第2の干渉縞部 19・・・
基準面 20、22・・・参照光 21、23
・・・物体光 24・・・転写光 25・・・体積型ホ
ログラム用未露光乾板 26・・・マスターホログラム 27・・・透過光
28・・・回折光 29・・・表面レリーフ型ホログラム
アイソレータの構造図、(b)は複屈折板の表面図。 【図2】マスターホログラムのイメージ図。 【図3】(a)(b)はCGHの計算モデル。 【図4】マスターの転写方法を示す図。 【図5】本発明の第2の実施例を示す図。 【図6】インライン型アイソレータの従来例を示す構造
図。 【符号の説明】 1・・・インライン型アイソレータ 2・・・第
1の複屈折板 3・・・第2の複屈折板 4・・・第
3の複屈折板 5・・・ファラデー回転子 6・・・入
射側光信号ビーム 7・・・出射光 8、9・・
・レンズ 10・・・入射側光ファイバ 11・・・
出射側光ファイバ 12、13・・・ホログラム 14・・・有効ビーム径部分(光路アパーチャ) 15、16・・・逆方向ビーム 17・・・
第1の干渉縞部 18・・・第2の干渉縞部 19・・・
基準面 20、22・・・参照光 21、23
・・・物体光 24・・・転写光 25・・・体積型ホ
ログラム用未露光乾板 26・・・マスターホログラム 27・・・透過光
28・・・回折光 29・・・表面レリーフ型ホログラム
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】複屈折性偏光子と、磁気飽和させるのに十
分な磁界が印加されうるファラデー回転子と、複屈折性
検光子とを順次配列した光アイソレータにおいて、前記
偏光子の光路面の少なくとも片面の光路アパーチャを除
く部分にホログラムを形成もしくは配設することを特徴
とする光アイソレータ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22316493A JP3426661B2 (ja) | 1993-09-08 | 1993-09-08 | 光アイソレータ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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