DE3939723C1 - Optical or opto-electronic coupling - uses spherical lens received in frusto-pyramidal recess of one part and groove of other part - Google Patents
Optical or opto-electronic coupling - uses spherical lens received in frusto-pyramidal recess of one part and groove of other partInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ankopplung einer optischen oder optoelektronischen Anordnung an eine andere.The invention relates to an arrangement for coupling a optical or optoelectronic device to another.
In der optischen Nachrichtentechnik werden Empfangsdioden verwendet, deren lichtempfindliche Zonen parallel zur Chipoberfläche liegen. Diese Zone hat typischerweise einen Durchmesser von etwa 60 µm oder mehr. Es gibt sowohl Typen von Empfangsdioden, die von der Oberseite als auch solche, die von der Unterseite durch den Chip hindurch beleuchtet werden müssen. In beiden Fällen muß die Oberfläche des Diodenchips senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung stehen. Wenn die Lichtausbreitungsrichtung zweckmäßigerweise parallel zur Oberfläche eines Substrates verläuft, das als Montageplattform dient und das die Empfangsschaltung enthält, muß die Empfangsdiode senkrecht zu diesem Grundsubstrat angeordnet sein. Nach dem Stand der Technik wird die Empfangsdiode auf einen Träger aufgebracht, der senkrecht zu dieser Montageplattform angeordnet ist. Im Falle von Durchstrahlungsdioden muß der Träger mit einem Loch oder Schlitz versehen sein. Die anzukoppelnde Lichtleitfaser muß so nahe an den Diodenchip geführt und lateral justiert werden, daß der Querschnitt des aus der Faser austretenden divergenten Lichtbündels ganz in die lichtempfindliche Fläche der Empfangsdiode fällt. Andererseits darf die Lichtleitfaser beim Justieren weder die Diode noch die Seitenwände des Loches oder Schlitzes im Träger berühren, um eine Beschädigung des Chips oder ein Abbrechen der Faser zu vermeiden.In optical communications technology are receiving diodes used, whose photosensitive zones parallel to Chip surface lie. This zone typically has one Diameter of about 60 microns or more. There are both types of Reception diodes from the top as well as those from the bottom are illuminated by the chip have to. In both cases, the surface of the diode chip stand perpendicular to the light propagation direction. If the Lichtausbreitungsrichtung expediently parallel to Surface of a substrate runs as an assembly platform serves and contains the receiving circuit, the Receiving diode arranged perpendicular to this base substrate his. In the prior art, the receiving diode on a carrier applied perpendicular to this Mounting platform is arranged. In case of Transmitting diodes, the carrier with a hole or Be provided slot. The optical fiber to be coupled must be so be guided close to the diode chip and adjusted laterally, that is, the cross section of the divergent out of the fiber Light beam all the way into the photosensitive surface of the Receiver diode drops. On the other hand, the optical fiber may during Adjust neither the diode nor the side walls of the hole or Slots in the carrier touch to damage the chip or to avoid breaking off the fiber.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine eingangs genannte Anordnung vorzuschlagen, bei welcher eine Beschädigung der optoelektronischen und optischen Elemente durch eine angeschlossene Lichtleitfaser ausgeschlossen ist, und bei der sich eine Justierung der Lichtleitfaser oder eines der Elemente erübrigt.The object of the invention is an arrangement mentioned to propose, at which a damage of optoelectronic and optical elements through a connected optical fiber is excluded, and in the an adjustment of the optical fiber or one of Elements are unnecessary.
Die Aufgabe wird gelöst, wie in den Ansprüchen beschrieben. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen.The object is achieved as described in the claims. The dependent claims describe advantageous developments.
Es wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei welcher eine Beschädigung der Empfangsdiode durch die Lichtleitfaser ausgeschlossen und keine Justierung der Lichtleitfaser mehr erforderlich ist. Der erfindungsgemäße Träger ist auf billige Weise in Vielfach-Nutzen durch anisotropes Ätzen von (100)- orientierten Siliziumscheiben herstellbar. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es nicht nur möglich, eine Empfangsdiode an einen divergenten Strahl aus einer Lichtleitfaser anzukoppeln, sondern auch an einen aufgeweiteten kollimierten Strahl wie beispielsweise in Multiplexern oder Duplexern. Die Fokussierung des divergenten oder kollimierten Lichtbündels geschieht durch eine Kugellinse, die auf dem gleichen Teil der Anordnung wie die Empfangsdiode montiert ist, und zu dieser durch die Präzision der Siliziumätztechnik lateral und axial ausgerichtet ist. Diese Kugellinse dient gleichzeitig zur lateralen Ausrichtung der Montageeinheit.It is proposed an arrangement in which a Damage to the receiving diode by the optical fiber excluded and no adjustment of the optical fiber more is required. The carrier according to the invention is cheap Manner in multiple use by anisotropic etching of (100) - produced oriented silicon wafers. With the arrangement according to the invention, it is not only possible, a Receive diode to a divergent beam from a To couple optical fiber, but also to a expanded collimated beam such as in Multiplexers or duplexers. The focus of the divergent or collimated light beam is done by a Ball lens lying on the same part of the arrangement as the Reception diode is mounted, and to this by the precision the silicon etching technique is laterally and axially aligned. This ball lens also serves for lateral alignment the mounting unit.
Aus dem Stand der Technik sind Anordnungen zur Ankopplung mit Hilfe von Kugellinsen bekannt.From the prior art arrangements for coupling with Help known from ball lenses.
In DE-OS 32 06 600 Fig. 15 und zugehörige Beschreibung wird geschildert, wie die Achse einer Gradientenlinse auf die Achse einer Lichtleitfaser ausgerichtet wird. In DE-OS 37 37 251 ist ein Trägerelement aus einem Stück mit mehreren Teilbereichen beschrieben zur Ankopplung einer Faser an ein elektro-optisches Halbleiterbauelement dargestellt. Das gleiche gilt für die EP-OS 2 17 063, allerdings ohne Einbau einer Linse. In EP-OS 3 05 112 wird der Einbau einer Linse oder eines Spiegels in eine Ankopplungsanordnung beschrieben (s. Fig. 7 und 8 und zugehörige Beschreibung). Die Umlenkung von Lichtstrahlen bei Ankopplungsanordnungen wird beschrieben in EP-OS 3 19 230 und EP-OS 3 31 331.In DE-OS 32 06 600 Fig. 15 and associated description will described as the axis of a gradient lens on the axis an optical fiber is aligned. In DE-OS 37 37 251 is a carrier element in one piece with several sub-areas described for coupling a fiber to an electro-optical semiconductor device shown. The same applies to EP-OS 2 17 063, but without Installation of a lens. In EP-OS 3 05 112, the installation of a lens or a Mirror in a coupling arrangement described (see Fig. 7 and 8 and related description). The deflection of light beams in coupling arrangements is described in EP-OS 3,119,230 and EP-OS 3,331,331.
Im folgenden soll anhand der Figuren die vorliegende Erfindung näher erläutert werden.In the following, based on the figures, the present invention be explained in more detail.
Die Fig. 1 (Querschnitt) und 2 (Draufsicht) zeigen den Siliziumträger 1 mit (100)-orientierter Kristalloberfläche, in welchem durch bekannte anisotropische Ätzverfahren ein pyramidenstumpfförmiges Loch 2 mit quadratischer Grundfläche 5 geätzt worden ist. Das Loch 2 wird von der Oberseite 3 der Siliziumscheibe aus geätzt, wobei die Lochkanten 5 durch eine Ätzmaske (beispielsweise aus Siliziumnitrid) in <110<-Richtung durch Fotolithographie vorgegeben werden. Aufgrund des anisotropen Ätzverhaltens von Silizium gegenüber basischen Ätzmitteln wie KOH oder EDP bilden die Seitenwände 4 des Loches (111)-Ebenen, die infolge der Kristallstruktur einen Böschungswinkel α zur Oberfläche haben, für den giltThe Fig. 1 (cross-section) and 2 (top view) show the silicon substrate 1 of (100) oriented crystal surface, in which by known anisotropic etching a truncated pyramid-shaped hole 2 has been etched with a square base surface 5. The hole 2 is etched from the upper side 3 of the silicon wafer, wherein the hole edges 5 are predetermined by an etching mask (for example made of silicon nitride) in <110 <-direction by photolithography. Because of the anisotropic etch behavior of silicon over basic etchants such as KOH or EDP, the sidewalls 4 of the hole form (111) planes which, due to the crystal structure, have an angle of repose α to the surface to which it applies
α = arctan (√) = 54,74° (1)α = arctane (√) = 54.74 ° (1)
Auf der Rückseite 8 des Trägers 1 hat das Loch 2 wegen der Neigung der Seitenwände einen kleineren Querschnitt. Die Differenz zwischen der Kantenlänge a der oberen Lochöffnung und der Kantenlänge b der unteren Lochöffnung 6 beträgtOn the back 8 of the carrier 1 , the hole 2 has a smaller cross section because of the inclination of the side walls. The difference between the edge length a of the upper hole opening and the edge length b of the lower hole opening 6 is
a-b = d · √, (2)a-b = d · √, (2)
wobei d die Dicke der Siliziumscheibe ist.where d is the thickness of the silicon wafer.
Über die kleinere untere Öffnung 6 des Loches 2 wird eine Empfangsdiode 7 durch Kleben oder Löten befestigt. Hierzu kann die Unterseite 8 des Siliziumträgers mit einer Metallisierungsschicht versehen werden, die fotolithografisch strukturiert ist, und die einerseits zur Montage mit elektrisch leitfähigem Kleber oder mit Lot und andererseits zur elektrischen Kontaktierung dient. Die Diode 7 wird so montiert, daß das Fenster 11 in die Mitte der Öffnung 6 zu liegen kommt. In die andere Seite des Loches 2 wird eine Kugellinse 13 eingesetzt, so daß sie auf den Seitenflächen 4 aufliegt und dort durch Kleben oder anodisches Bonden befestigt werden kann. Die Kantenlänge a der oberen Lochöffnung 5 und der Kugelradius r sind so gewählt, daß der Kugelmittelpunkt in der Höhe h über der Siliziumoberfläche 3 liegt, und der tiefste Punkt der Kugel von der Siliziumunterseite 9 den Abstand e hat. Dieser Abstand e ist so bemessen, daß das zu empfangende Lichtbündel in das Fenster 11 der Empfangsdiode fokussiert wird.About the smaller lower opening 6 of the hole 2 , a receiving diode 7 is fixed by gluing or soldering. For this purpose, the underside 8 of the silicon substrate can be provided with a metallization layer, which is patterned photolithographically, and which serves on the one hand for mounting with electrically conductive adhesive or with solder and on the other hand for electrical contacting. The diode 7 is mounted so that the window 11 comes to lie in the middle of the opening 6 . In the other side of the hole 2 , a ball lens 13 is used, so that it rests on the side surfaces 4 and can be fixed there by gluing or anodic bonding. The edge length a of the upper hole opening 5 and the ball radius r are selected so that the ball center is at height h above the silicon surface 3 , and the lowest point of the ball from the silicon base 9 has the distance e. This distance e is dimensioned so that the light beam to be received is focused into the window 11 of the receiving diode.
Ein Zahlenbeispiel für die genannten Größen ist:A numerical example of the sizes mentioned is:
Dieses Zahlenbeispiel entspricht der Ankopplung einer Empfangsdiode an einen kollimierten Strahl. Zur Ankopplung an das divergente Strahlbündel einer Lichtleitfaser muß der Abstand e größer gewählt und/oder eine Kugellinse mit einem höheren Brechungsindex (z. B. La SF 35 mit n=2,0) gewählt werden.This numerical example corresponds to the coupling of a Receive diode to a collimated beam. For connection to the divergent beam of an optical fiber must the Distance e chosen larger and / or a ball lens with a higher refractive index (eg La SF 35 with n = 2.0) become.
Der gesamte Träger 1 mit montierter Kugellinse 13 und Empfangsdiode 7 bildet eine Einheit 14. Diese Einheit wird in einen Halter 20 (Fig. 3) oder 30 (Fig. 6) eingelegt, der ebenfalls aus Silizium durch anisotropes Ätzen hergestellt wird. Der Halter 20 besitzt eine geätzte V-Nut 21, aus der ein divergentes Lichtbündel austritt. An die V-Nut 21 schließt sich mittig eine weitere Nut 23 zu Aufnahme der Kugel 13 an. Die Breite der Nuten 21 und 23 ist so gewählt, daß die Mitten der in ihnen eingelegten Faser 22 und Kugellinse 13 auf der gleichen Höhe bezüglich zum Halter 20 liegen, beispielsweise in der Oberfläche des Halters 20.The entire carrier 1 with mounted ball lens 13 and receiving diode 7 forms a unit 14th This unit is placed in a holder 20 ( Fig. 3) or 30 ( Fig. 6) which is also made of silicon by anisotropic etching. The holder 20 has an etched V-groove 21 from which emerges a divergent light beam. At the V-groove 21 , a further groove 23 connects centrally to receive the ball 13 at. The width of the grooves 21 and 23 is selected so that the centers of the inserted therein fiber 22 and ball lens 13 are at the same height with respect to the holder 20 , for example in the surface of the holder 20th
Da der Mittelpunkt der Kugel 13 erfindungsgemäß um den Abstand h über der Oberseite 3 des Trägers 1 hervorsteht, berührt die Kugel 13 die Seitenflächen 24 der Nut 23 in den in den Figuren unterhalb der Linse liegenden Punkten P1 und P2. Hierdurch wird die laterale Position der Kugel 13 in bezug auf den Halter 20 und die eingelegte Faser 22 sehr exakt vorgegeben, da sowohl die Kugel als auch die geätzten (111)-Flächen 24 und 21 im Halter 20 mit sehr hoher Präzision (Toleranz <1 µm) hergestellt werden können. Die axiale Position der Kugel 13 in bezug auf den Halter 20 ist durch die Tiefe des Loches 2 ebenfalls sehr genau vorgegeben. Der Träger 1 liegt hierbei mit seiner ebenen Oberfläche 3 auf der Stirnfläche 25 des Halters 20 auf und kann dort durch Kleber fixiert werden. Die Stirnfläche 25 kann eine Sägefläche sein, die beim Vereinzeln des im Großnutzen hergestellten Trägers 20 ohnehin entsteht.Since the center of the ball 13 protrudes according to the invention by the distance h above the upper side 3 of the carrier 1 , the ball 13 contacts the side surfaces 24 of the groove 23 in the points P 1 and P 2 located in the figures below the lens. As a result, the lateral position of the ball 13 with respect to the holder 20 and the inserted fiber 22 is given very accurately, since both the ball and the etched (111) surfaces 24 and 21 in the holder 20 with very high precision (tolerance <1 μm) can be produced. The axial position of the ball 13 with respect to the holder 20 is also very precisely determined by the depth of the hole 2 . The carrier 1 is in this case with its flat surface 3 on the end face 25 of the holder 20 and can be fixed there by adhesive. The end face 25 may be a sawing surface, which arises in any case when separating the carrier 20 produced in large utility.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Diodenträgers. Hier ist die Empfangsdiode 50 nicht als Chip auf den Diodenträger montiert, sondern die Materialien der Empfangsdiode, im allgemeinen III/V- Halbleiterverbindungen, sind heteroepitaktisch auf dem Siliziumträger 51 aufgewachsen, bevor oder nachdem die Vertiefung 52 von der gegenüberliegenden Seite her geätzt wird. Fig. 4 shows a further embodiment of the diode holder of the invention. Here, the receiving diode 50 is not mounted as a chip on the diode carrier, but the materials of the receiving diode, generally III / V semiconductor compounds are grown heteroepitaxially on the silicon substrate 51 before or after the recess 52 is etched from the opposite side.
Zum Schutz der lichtempfindlichen Zone 53 vor dem Ätzvorgang gibt es zwei Möglichkeiten:To protect the photosensitive zone 53 from the etching process, there are two possibilities:
- 1. Man läßt eine dünne Wand 54 am Boden der Vertiefung 52 aus Silizium stehen und stoppt dort den anisotropen Ätzprozeß entweder durch eine Ätzstoppschicht 55 nahe der Oberfläche 56 des Siliziumträgers 51, solche Ätzstoppschichten lassen sich nach dem Stand der Technik durch Dotieren mit Bor oder durch einen pn-Übergang realisieren. Oder man bricht den anisotropen Ätzprozeß nach einer vorgegebenen Zeit ab, bevor das Loch 52 ganz durchgeätzt ist. Die stehenbleibende Siliziumwand 54 ist für Lichtwellenlängen oberhalb ca. 1 µm lichtdurchlässig.1. Leave a thin wall 54 at the bottom of the recess 52 made of silicon and stops there the anisotropic etching process either by an etch stop layer 55 near the surface 56 of the silicon substrate 51 , such Ätzstoppschichten can be in the prior art by doping with boron or through realize a pn junction. Or one breaks off the anisotropic etching process after a predetermined time before the hole 52 is completely etched through. The remaining silicon wall 54 is transparent to light wavelengths above about 1 micron.
- 2. Die andere Möglichkeit besteht darin, den Träger 51 ganz durchzuätzen, bis die unteren hetereoepitaktische Schichten der Empfangsdiode 50 erreicht sind und den Ätzprozeß dort abzubrechen.2. The other option is to etch the carrier 51 all the way through until the lower hetero-epitaxial layers of the receiving diode 50 are reached and abort the etching process there.
Der Vorteil des genannten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5 ist, daß die Empfangsdiode nicht zum Träger 51 justiert und montiert werden muß. Die Ausrichtung von aktiver Zone 57 zur Vertiefung 52 läßt sich mit hoher Genauigkeit auf fotolithografischem Weg erreichen.The advantage of said embodiment of FIG. 5 is that the receiving diode does not need to be adjusted and mounted to the carrier 51 . The alignment of active zone 57 to recess 52 can be achieved with high accuracy by photolithographic means.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem die erfindungsgemäße Einheit 14, bestehend aus Träger 1, Empfangsdiode 7 und Kugellinse 13, an einen Halter 30 montiert ist. Hier wird die Empfangsdiode nicht an den divergenten Strahl einer Lichtleitfaser wie im vorigen Ausführungsbeispiel, sondern an den kollimierten Strahl eines Duplexers angekoppelt, bei welchem an dem Filterplättchen 40 mit der Filterschicht 41, das in dem Schlitz 42 sitzt, das Licht nach Wellenlängen getrennt durchgelassen bzw. reflektiert wird. Im Unterschied zum vorgenannten Ausführungsbeispiel muß hier der Abstand e zwischen Kugellinse und Empfangsdiode kleiner bzw. der Brechungsindex der Kugellinse kleiner sein, um eine Anpassung an den parallelen Strahl zu erreichen. Auch hier erfolgt die laterale Positionierung durch Anschlag in den Punkten P1 und P2, wie in Fig. 4 gezeigt, auf den hochpräzise geätzten Seitenflächen 34 mit (111)-Orientierung und die axiale Positionierung durch Aufliegen der Fläche 3 der Einheit 14 auf der Stirnfläche 35 des Halters 30. Fig. 6 shows a further embodiment in which the unit 14 according to the invention, consisting of carrier 1 , receiving diode 7 and ball lens 13 , is mounted on a holder 30 . Here, the receiving diode is not coupled to the divergent beam of an optical fiber as in the previous embodiment, but to the collimated beam of a duplexer, wherein at the filter plate 40 with the filter layer 41 , which sits in the slot 42 , the light transmitted to wavelengths separately or is reflected. In contrast to the aforementioned embodiment, the distance e between the ball lens and the receiving diode must be smaller or the refractive index of the ball lens must be smaller in order to achieve an adaptation to the parallel beam. Again, the lateral positioning is accomplished by abutment at points P 1 and P 2 , as shown in FIG. 4, on the high precision etched side surfaces 34 with (111) orientation and the axial positioning by resting surface 3 of unit 14 on top End face 35 of the holder 30th
Zusammenfassend seien folgende Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber dem Stand der Technik genannt.In summary, the following advantages of the invention Solution over the prior art called.
- 1. Billige Herstellung des Trägers 1 und des Halters 20 bzw. 30 in Großnutzen durch anisotropes Ätzen von Silizium.1. Cheap production of the carrier 1 and the holder 20 or 30 in great benefit by anisotropic etching of silicon.
- 2. Kein Justieren der Faser erforderlich. 2. No adjustment of the fiber required.
- 3. Keine Gefahr der Beschädigung der Empfangsdiode durch die Faser.3. No risk of damage to the receiving diode by the Fiber.
Claims (4)
- a) ein erstes Teil (1) weist eine pyramidenstumpfförmige
Ausnehmung (2) zur Aufnahme der Kugellinse (13) auf;
- a1) die Grundfläche (5) des Pyramidenstumpfes liegt in der Oberfläche (3) des ersten Teils (1);
- a2) die Größe der pyramidenstumpfförmigen Ausnehmung (2) so gewählt ist, daß der Kugellinsenmittelpunkt außerhalb der Oberfläche (3) des ersten Teils (1) liegt;
- b) an der Unterfläche (8) des ersten Teils (1) ist im Brennpunkt der Linse eine optoelektronische Vorrichtung (7, 11) befestigt;
- c) ein zweites Teil (20, 30) weist eine langgestreckte
Vertiefung (23) auf;
- c1) das zweite Teil (20, 30) ist so an das erste Teil (1) angelegt, daß die langgestreckte Vertiefung (23) senkrecht zur Oberfläche (3) des ersten Teils (1) verläuft;
- c2) das zweite Teil (20, 30) ist so an das erste Teil (1) angelegt, daß die Kugellinse (13) nur an zwei Punkten (P1, P2) der Seiten (24) der langgestreckten Vertiefung (23) aufliegt;
- d) an dem entgegengesetzten Ende der langgestreckten Vertiefung sind weitere optoelektronische oder optische Anordnungen (22) angebracht.
- a) a first part ( 1 ) has a truncated pyramid-shaped recess ( 2 ) for receiving the ball lens ( 13 );
- a1) the base surface ( 5 ) of the truncated pyramid lies in the surface ( 3 ) of the first part ( 1 );
- a2) the size of the truncated pyramid-shaped recess ( 2 ) is selected so that the center of the ball-shaped lens lies outside the surface ( 3 ) of the first part ( 1 );
- b) on the lower surface ( 8 ) of the first part ( 1 ) an opto-electronic device ( 7, 11 ) is fixed in the focal point of the lens;
- c) a second part ( 20, 30 ) has an elongated recess ( 23 );
- c1) the second part ( 20, 30 ) is applied to the first part ( 1 ) such that the elongated recess ( 23 ) is perpendicular to the surface ( 3 ) of the first part ( 1 );
- c2) the second part ( 20, 30 ) is applied to the first part ( 1 ) such that the ball lens ( 13 ) rests only at two points (P 1 , P 2 ) of the sides ( 24 ) of the elongated recess ( 23 ) ;
- d) at the opposite end of the elongated recess further optoelectronic or optical assemblies ( 22 ) are mounted.
- e) am entgegengesetzten Ende der langgestreckten Vertiefung (23) ist eine zweite Vertiefung (21) angebracht, die sich in gleicher Richtung erstreckt;
- f) in dieser zweiten Vertiefung (21) ist eine Lichtleitfaser (22) so angebracht, daß ihr Ende im Brennpunkt der Kugellinse (13) liegt.
- e) at the opposite end of the elongated recess ( 23 ) a second recess ( 21 ) is mounted, which extends in the same direction;
- f) in this second recess ( 21 ) an optical fiber ( 22 ) is mounted so that its end is in the focal point of the ball lens ( 13 ).
- g) am entgegengesetzten Ende der langgestreckten Vertiefung (23) ist eine optische Anordnung (40) in Form eines Spiegels oder eines Prismas angebracht;
- h) quer zur langgestreckten Vertiefung (23) sind nach einer der beiden Seiten ebenfalls weitere langgestreckte Vertiefungen angebracht zur Weiterleitung des Lichtstrahls.
- g) at the opposite end of the elongate recess ( 23 ) is mounted an optical assembly ( 40 ) in the form of a mirror or a prism;
- h) transverse to the elongated recess ( 23 ) are also provided according to one of the two sides further elongated recesses for forwarding the light beam.
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