CN100365453C - 二维光子晶体腔及通路加/减滤波器 - Google Patents

Abstract

在2D光子晶体中，可以制得高Q因子的腔，其中高Q腔与波导的组合提供了具有高分辨率的通路加/减滤波器。在由2D光子晶体内的点缺陷构成的腔中，2D光子晶体由一种折射率低于切片的并且尺寸和形状一致的低折射率材料(2)以限定在切片(1)中的二维点阵的布局构成。点缺陷(4)包含大量彼此相邻的三个或多个阵点，在这些阵点中不分布低折射率材料(2)；应布置成对应于至少一个最接近点缺陷(4)的阵点的低折射率材料(2)布置成离开该阵点预定的距离。

Description

二维光子晶体腔及通路加/减滤波器

技术领域

本发明涉及采用光子晶体的腔和通路加/减滤波器，并尤其涉及基于二维光子晶体的腔和通路加/减滤波器的特性的改进。应该理解，在本说明书中，“光”一词的意义还包括相对于可见光有较长或较短波长的电磁波。

背景技术

近年来随着波分复用(WDM)光通讯系统的发展，以扩大容量的超小加/减滤波器和通路滤波器的重要性正在凸现。因此，在此领域中，正在尝试着通过利用光子晶体开发超小规格的光学加/减滤波器。特别是对于光子晶体，通过利用人工周期结构实现新的光学特性，其中在人工周期结构中，人为地赋予原始材料晶格状的周期性折射率分布。

光子晶体的一个重要特征是存在光子带隙。对于具有三维折射率周期性的光子晶体(3D光子晶体)，可以形成在每个方向都禁止光透射的理想带隙。在利用这些晶体的可能性是光的局限、自发辐射的控制以及通过引入线缺陷而形成波导，其中可以预期实现超小光子集成电路。

同时，还正在兴起对具有二维周期性折射率结构的光子晶体(2D光子晶体)的用途的研究，因为这种晶体可以比较容易地制造。2D光子晶体中的周期性折射率结构例如可以通过以穿过高折射率片材(通常称作“切片”)的正方形点阵或三角形点阵的几何形状分布。或者，也可以通过在低折射率材料内以2D点阵的几何形状布置由高折射率材料制作的柱来形成该结构。光子带隙可以由这种周期性的折射率结构产生，它能够使在平面方向(平行于切片主面的方向)传播的光的透射得到控制。例如，波导可以通过在周期性的折射率结构中引入线缺陷而建立(例如见Physical.Review B，Vol.62，2000，pp.4488-4492)。

图12表示日本待定专利申请JP2001-272555中公开的一种通路加/减滤波器的斜视图。(在本申请的附图中，相同的标识表示同一或等同的部件)。图12所示的通路加/减滤波器采用了2D光子晶体，该晶体构造成在切片1内具有形成在2D三角形点阵顶点处的相同直径的柱状穿孔(通常由空气占据)。在此类2D光子晶体中，通过带隙禁止光在切片1内的平面方向传播，并且由于发生在与低折射率包层(如空气)界面处的内全反射而使光被局限在正交于该平面的方向中(正交于切片的两个主面的方向)。

图12中的光子晶体包含由直线缺陷组成的波导3。此直线缺陷3包括彼此相邻的大量阵点的矩形范围，穿孔2散落在这些阵点中。对于能够穿过2D光子晶体中的缺陷的光，可以将直线缺陷用作线性波导。对于线性波导，能以低损耗透过的光的波谱较宽；因此，包含大量信道的信号的很宽波长范围的光都可以从中传播。

可以理解，做为波导的直线缺陷的宽度可以根据所需的特性不同地更改。如上所述，通过留下散落在阵点线中的穿孔而获得最典型的波导。不用说，也可以通过在阵点线中留下散落在大量相邻行中的穿孔而创建波导。而且波导在宽度上不限于点阵常数的整数倍，可以有任意的宽度。例如，也可以通过将线性波导任一侧上的点阵移到选择的距离而创建具有选择宽度的波导。

图12中所示的光子晶体还包含由点缺陷组成的腔4。点缺陷4包含单个的阵点，并且通过该阵点形成直径比其它阵点大的穿孔。以这种方式包含较大直径穿孔的缺陷通常称作受主型点缺陷。另一方面，穿过散落在阵点中的缺陷通常称作施主型点缺陷。腔4设置成与波导3相邻，处于彼此之间可以发挥电磁相互作用的范围。

在如图12所示的2D光子晶体中，如果包含很大波长范围(λ₁、λ₂、...λ_i...)的光5进入波导3，则具有对应于腔4谐振频率的特定波长的光在腔中被俘获并同时在点缺陷内部振荡，在正交方向发射波长为λ_I的光6，其中在切片1的有限厚度中产生的Q因子很小。这意味着图12中的光子晶体可以用作通路减滤波器。相反，通过使光照射到点缺陷4中，在垂直于切片1的方向上于腔4中谐振的波长为λ_I的光可以进入波导3。这意味着图12中的光子晶体也可以用作通路加滤波器。可以理解，光在波导3或腔4与外部之间的传输可以通过大致在波导端面附近或腔附近设置光纤或光电传感器来进行。当然，在那种情况下，可以在波导端面或腔与光纤端面或光电传感器之间插入准直透镜(准直器)。

在如图12所示的光学加/减滤波器中，通过适当地在由线缺陷组成的波导3和由点缺陷组成的腔4之间构成间隔，可以控制在波导和腔之间传输的特定波长的光强比例。另外，在图12中，因为在垂直于切片1的方向上引入相对于点缺陷4的非对称，所以光从点缺陷4以两个垂直方向输出；但也可以通过在平面法线方向上的点缺陷4中引入非对称而使光只从其中一个或其它的垂直方向输出。可以用于引入此类非对称的一种机制例如是一种这样的方法，即截面为圆形的点缺陷4的直径沿切片的厚度连续或不连续地变化。关于图12，虽然图中的通路加/减滤波器只包含单腔，但很容易理解，通过沿波导设置大量振荡波长彼此不同的腔，可以加/减大量信道中的光信号。

对于采用如日本待定专利申请JP2001-272555中公开的受主型点缺陷的腔的大约500的Q因子，包含从此类腔中输出的光的峰波长最大半宽(FWHM)约为3nm。

但是，正在研究利用多信道信号以大约100GHz、波峰间隔约为0.8nm进行WDM通信。这意味着对于日本待定专利申请JP2001-272555中公开的腔，大的Q因子是不够的，对于3nm的FWHM，该腔完全不足以分开峰波长间隔约为0.8nm的多信道信号。简言之，还需要提高采用2D光子晶体的腔的Q因子以减小其输出的峰波谱的FWHM。

发明内容

鉴于常数技术的现状，本发明的主要目的在于在2D光子晶体中提供一种高Q腔，并且还在于将此腔与波导组合，从而能够得到具有较高的波长分辨率的通路加/减滤波器。

根据本发明由二维光子晶体中的点缺陷组成的腔的特点在于点缺陷包含大量的彼此相邻的三到四个阵点，并且在这些阵点中没有分布低折射率材料，其特点还在于应该布置成与最接近该点缺陷的至少一个阵点对应的低折射率材料移开该阵点移预定的距离，而二维光子晶体通过以限定在切片中的二维点阵的形式分布折射率低于切片的低折射率材料构成。

此处，否则将布置成与至少一个次邻近点缺陷的阵点对应的低折射率物质可以离开阵点预定的量。另外，最好点缺陷包含六个或更少的阵点。在腔中振荡的光波长可以依据于点缺陷的尺度和形状调节，或者可以通过改变光子晶体的点阵常数来调节。最好点缺陷包含多个链接在一个线段中的大量阵点。

可以在穿孔切片的柱中填充低折射率材料。二维点阵中的阵点最好排列成三角形点阵。切片最好具有2.0或更大的折射率。

根据本发明的包括前述一个或多个腔的通路加/减滤波器，包括一个或多个由二维光子晶体内的线缺陷组成的波导，并且其特征在于该腔设置在一个间隔之内与波导相邻，在该间隔内滤波器与腔之间产生电磁相互作用。通过包含大量振荡频率彼此不同的腔，这类通路加/减滤波器可以用作多信道光通信的通路加/减滤波器。

概括性地说，本发明提供一种由二维光子晶体内的点缺陷组成的腔，该腔在一种二维光子晶体中，该二维光子晶体由限定在切片中的二维点阵的分布配置而成，该二维点阵由低折射率材料构成，所述低折射率材料具有相对于切片来说小的折射率，所述二维点阵具有相同的尺寸和形状，其特征在于：在所述点阵中，所述点缺陷包含彼此相邻的三个或更多个阵点，并且在所述三个或更多个阵点中所述低折射率材料不存在于所述分布中；以及在所述分布中，至少一个低折射率材料从至少一个最接近所述点缺陷的阵点移开预定的距离，该所述至少一个低折射率材料原本应是布置成对应于那些最接近所述点缺陷的阵点中的至少一个。

根据本发明所述的腔，其特征在于在所述分布中，至少一个低折射率材料从至少一个次邻近所述点缺陷的阵点移开预定的距离，该所述至少一个低折射率材料原本应是布置成对应于那些次邻近所述点缺陷的阵点中的至少一个。

根据本发明所述的腔，其特征在于点缺陷包含六个或更少的所述阵点。

根据本发明所述的腔，其特征在于在腔中振荡的光波长可以依据于所述点缺陷的尺度和形状调节。

根据本发明所述的腔，其特征在于包含所述多个阵点的所述点缺陷的形式为：所述多个阵点排列在一个线段中。

根据本发明所述的腔，其特征在于在穿孔所述切片的柱中填充所述低折射率材料。

根据本发明所述的腔，其特征在于二维点阵中的阵点排列成三角形点阵。

根据本发明所述的腔，其特征在于切片具有2.0或更大的折射率。

根据本发明所述的腔，其特征在于低折射率材料是空气。

另一方面，本发明还提供在二维光子晶体中的一种通路加/减滤波器，包括：至少一个由二维光子晶体内的线缺陷组成的波导；和至少一个由前面限定的所述的腔，该腔处于一个间隔中并与波导相邻地设置，在所述间隔中所述腔和所述波导之间产生电磁相互作用。

根据本发明所述的通路加/减滤波器，包括多个所述的腔，其特征在于所述的腔在谐振频率上彼此不同。

通过下面结合附图的详细描述，本发明的前述及其它目的、特点、优点及各个方面对于本领域的技术人员将变得更加清晰。

附图说明

图1是用于解释根据本发明的光子晶体中腔的主要特征的平面图；

图2是2D光子晶体中腔的一个实例模拟图像，表示腔中发射的光从垂直于切片方向看时的辐射图案；

图3是根据本发明的腔的一个实例模拟图像，表示腔中发射的光从垂直于切片方向看时的辐射图案；

图4是根据本发明的腔的另一个实例模拟图像，表示腔中发射的光从垂直于切片方向看时的辐射图案；

图5是一条表示对于图1中所示的点缺陷在Γ-J方向的位移M与Q因子的关系曲线；

图6是一条表示从腔中发射的主光束的侧半功率与位移n的关系曲线；

图7表示在根据本发明的腔的另一个模拟实例中从正交于切片看时的腔发射光束的辐射图案；

图8是一个平面视图，表示不仅至少一个对应于最接近点缺陷的阵点的穿孔、而且至少一个对应于次接近相邻阵点的穿孔离开其对于的阵点预定距离的情形；

图9是一个表示实际上由本发明制造的2D光子晶体中通路加/减滤波器的扫描电子显微照片(SEM)；

图10是一条表示在包含各种波长的光进入图9所示波导的情况下，在垂直于切片的方向上从腔中发射的光强与波长之间的关系曲线；

图11是表示根据本发明另一实例的通路加/减滤波器的斜视图；

图12是根据现有技术用在2D光子晶体中的通路加/减滤波器的斜视图；和

图13A和B是表示2D光子晶体中包含大量阵点的施主型缺陷的实例的平面图。

具体实施方式

本发明人首先调查的2D光子晶体的特性不是由图12所示的受主型缺陷组成的腔，而是由施主型点缺陷组成的腔。如前所述，施主型缺陷包含一个或多个阵点，并且穿孔散落在这些阵点中。

迄今主要研究的是只包含单个阵点的点缺陷，从鉴于其结构简单性的观点出发，它们易于电磁分解并有最小的尺寸。这意味着对于施主型，包含大量阵点的点缺陷到目前为止还没有得到广泛的研究。在这种情况下本发明人研究了包含大量阵点的施主型点缺陷的特性。

图13是一个表示包括含有大量阵点的施主型点缺陷的2D光子晶体的部分平面图。在该2D光子晶体中，穿孔2设置在构成于切片1内的三角形点阵的顶点处。图13A中的点缺陷4包含以线段形式彼此相邻的三个阵点，在这些阵点中不配置穿孔2。同时，图13B中的点缺陷4包含以三角形几何形状彼此相邻的三个阵点，在这些阵点中不配置穿孔2。换言之，可以形成的点缺陷4包含大量彼此一维相邻的阵点，或者可以形成的点缺陷4包含大量彼此二维相邻的阵点。

利用公知的有限差时域(FDTD)法(见日本待定专利申请JP2001-272555)，本发明人对包含大量阵点的施主型点缺陷进行了电磁分析，其中它发现与由包含一个或两个阵点的施主型点缺陷组成的腔相比，利用包含三个或更多个阵点的施主型点缺陷组成的腔获得较高的Q值。不用说，如果包含在点缺陷中的阵点数量太多，则振荡模式数将很不理想，因此阵点的数量最好是六个或更少。

例如，对于图13A所示的腔，在简单的基本结构中，Q＝5200，并当与波导组合时，滤波器能够产生大约2600的Q因子，从腔中输出的光的FWHM约为0.6nm。另外，考虑到在采用大约100GHz、波长峰值间隔约为0.8nm的多信道信号的WDM光通讯中的交扰，希望Q因子进一步提高。

图1是用于解释由本发明限定的腔中主要特征的平面图。在图1所示的2D光子晶体中限定三角形顶点的二维点阵，并且在阵点处形成形状一致的圆滑的管状穿孔2。三角形点阵中最相邻的阵点之间的间隔(点阵常数)用a表示。图1中展示的施主型点缺陷包含彼此相邻的在线段形式的范围内的三个阵点；在这些阵点中散布着穿孔2。

根据本发明的施主型点缺陷的主要特征在于至少一个最接近点缺陷而形成的穿孔2离开其对应的阵点预定的距离。在图1中，彼此成直角的Γ-X和Γ-J轴表示穿孔2与其对应的阵点分开设置的方向。在图1中还用标识l、m和n标识与最接近点缺陷的阵点对应地形成的穿孔2离开阵点的方向。应该知道，因为图1中所示的位移方向仅仅是出于图示的目的，所以穿孔2自然可以在任何选择的方向上移动。

以下把最接近点缺陷的穿孔2离开其对应的原始阵点的状态表述为“位移＝(l，m，n)”。例如，“位移＝(0.1a，0.2a，0.3a)”的表述意味着对应于用标号l标注的箭头的穿孔从它们对应的阵点移开0.1a，同样还意味着对应于用标号m标注的箭头的穿孔从它们对应的阵点移开0.2a，并且对应于用标号n标注的箭头的穿孔从它们对应的阵点移开0.3a。

由图1所示施主点缺陷4组成的腔的Q因子和电场图案(辐射图案)通过FDTD法激励。其激励参数通过将切片选为硅、将波长λ设置为近似1.55μm(通常用于光通讯)；将点阵常数a设置为0.42μm；切片1的厚度设置为0.6a；穿孔2的截面半径为0.29a。

对于在这些条件下模拟(l，m，n)＝(0，0，0)的情形，获得5200的Q因子；图2表示这种情况下从垂直于切片1的方向看从腔4发出的光的辐射图案。对于类似模拟(l，m，n)＝(0，0，0.15a)的情形，获得43,000的Q因子；图3标识在此情况下从腔中发出的光的辐射图案。

从这些模拟试验中可以知道，在包含彼此以线段的形式相邻的三个阵点的施主型点缺陷中，与线段两端相邻的穿孔从其对应的阵点离开0.15a的距离使得Q因子从5200急剧增大到43,000，同时从图2和3的比较中可以知道，减小了光的辐射角度。

在另一情况下，通过使(l，m，n)＝(0，0，0.20a)而使位移n较大，可以获得更高的Q＝100,000；图4表示在此情况下从腔中发射的光的辐射图案。与图3相比，在图4中光的辐射角较大，并且图4中中心的主发射光束之上或之下的侧瓣(次光束)很显著。这意味着随着距离的增大，其中通过该距离的增大、最接近点缺陷4的穿孔2离开其对应的阵点，Q因子也趋于增大，但考虑到从腔4中发出的光的辐射角，位移应不必很大。

参见图5，图中是一条表示图1所示点缺陷在Γ-J方向的位移n与Q因子之间的关系曲线。在该曲线中，水平轴表示由点阵常数a定标的位移n，而垂直轴表示Q因子。从图5中可以知道，对如何通过增大位移n来增大Q因子有一个限度。具体地说，当位移n增大到0.20a时，Q因子也指数增加，到达最大值100,000；但如果位移n进一步增大，则Q因子则相反地急剧减小。

在图6所示的曲线中展示了位移n与主发射光束侧瓣的功率之间的关系，如可以从图4中清楚地看到。在此曲线中，水平轴表示由点阵常数a定标的位移n，而垂直轴表示主发射光束的侧瓣发射功率。在图6中显见，包含侧瓣的发射光束辐射角在位移n为0.15a的情况下最小，而在位移n为0.25a的情况下最大。

与穿孔不从阵点移开的情形(l，m，n)＝(0，0，0)相比在位移(l，m，n)＝(0.11a，0.11a，0)的情况下也获得高的Q＝11,900；图7表示在此情况下从腔发出的光的辐射图案。从与图3所示情形(l，m，n)＝(0，0，0)相比可知，在图7中光发射的辐射角较小。

参见图8，该图类似于图1，表示了不仅至少一个对应于最接近点缺陷4的阵点的穿孔2、而且至少一个对应于次接近阵点的穿孔2均离开阵点预定距离的情形。虽然提高腔的Q因子最有效的方式是如上所述地将对应于最接近点缺陷4的阵点的穿孔移开其对应的阵点预定的距离，但额外地将对应于次接近阵点的穿孔2离开其对应的阵点预定的距离也产生使Q因子更换的效果。

参见图9，扫描电子显微照片(SEM)表示实际制造的2D光子晶体的一部分。该2D光子晶体的结构参数-包括切片1的材料、二维点阵常数、穿孔2的直径以及点缺陷4包含的阵点的数量和布局-与前面的模拟情形一样，而位移设置为(l，m，n)＝(0，0，0.15a)。

采用电子束光刻和反应离子蚀刻(见日本待定专利申请JP2001-272555)制造图9所示的光子晶体，并且除了点缺陷4之外，还包括一个直线波导3。这意味着可以在由点缺陷4构成的腔和直线波导3之间传输预定波长的光，从而允许该器件用作通路加/减滤波器。

在图10所示的曲线中表示了在包含不同波长的光实际上进入图9所示的波导3的情况下，从腔4中发出的光在垂直于切片1的方向上的强度与波长之间的关系。具体是水平轴表示波长(nm)，垂直轴表示光强(任意单位)。从图10显见，包含在图9所示通路加/减滤波器中的腔4从进入波导3中的光的波长中分离出波长峰值近似为1578.2nm、以最大半宽(FWHM)约为0.045nm发射的光，并具有如上述模拟试验所预期的约为35,100高Q因子。可以知道，本发明人可以提供具有高波长分辨率的通路加/减滤波器。

应该知道，虽然在图9所示的通路加/减滤波器中接近一个波导只设置一个腔，但可以在光通讯中处理多个波长彼此不同的信道的多通路加/减滤波器自然可以通过近似地沿单个波导设置多个不同振荡频率的腔而建立。另外，通过将光纤的端面设置成近似面对腔4，可以使在垂直于切片1的方向上从腔4发射处的光进入光纤。另外，通过将光电传感器设置成大致面对腔4，可以接收到从腔发出的光的调制光强。本领域的技术人员将会理解，可以在腔4与光纤端面或光电传感器之间插入准直透镜(准直器)。

参见图11，该图是本发明另一实施例中通路加/减滤波器的斜视图。虽然图11的通路加/减滤波器与图9所示的类似，在图11中腔4设置得邻近第一直线波导3a，并且第二波导3b设置得邻近腔4。在此例中，如前所述，可以在腔4中将特定波长的光信号与进入第一波导3a中的光信号分离，但对于邻近腔4设置得的第二波导3b，分离的光信号从腔4不进入切片1的垂直平面，而是进入第二波导3b。这意味着在采用2D光子晶体的通路加/减滤波器中，穿过一个波导的光信号中给定波长的光信号可以选择性地进入另一波导。

折射率较大的材料可以理想地用作光子晶体的切片，因为它必须沿其厚度限定光。在以上所示的本实施例中，采用了Si(硅)切片，但除硅以外可以采用的材料包括：IV族半导体，如Ge、Sn、C和SiC；III-V族半导体化合物，如GaAs、InP、GaN、GaP、AlP、AlAs、GaSb、InAs、AISb、InSb、InGaAsP和AlGaAs；II-VI族半导体化合物，如ZnS，CdS，ZnSe，HgS，MnSe，CdSe，ZnTe，MnTe，CdTe和HgTe；氧化物，如SiO₂、Al₂O₃和TiO₂；氮化硅；各类玻璃，如苏打石灰玻璃；以及有机物，如Alq3(C₂₇H₁₈AlN₃O₃)。在由这些切片构成的光子晶体中光信号的放大率理想的情况下可以掺入Er。

优选的是，切片1的折射率大于空气折射率，具体地说是2.0或更大，更优选为3.0或更大。本领域的技术人员将会知道，虽然在上述实施例中穿孔2之内存在空气，但当然也可以在穿孔2中填充较切片1的折射率低的材料物质。此类物质例如导体聚噻吩可以用作低折射率材料。另外，切片1内构成的二维点阵不限于三角形点阵，也可以构造成任何其它选定的规则的二维点阵。穿孔2的截面不限于圆滑形，也可以是其它形状；或者可以沿切片厚度改变截面的形状。

如前所述，本发明在2D光子晶体中提供Q因子增大的腔，并且通过将此类腔与波导结合，更使得能够获得具有高的波长分辨率的通路加/减滤波器。

虽然只选取了一些实施例来解释本发明，但本领域的技术人员从前面的描述中可以显见，在不脱离本发明由权利要求限定的范围的前提下可以进行各种变化和改型。另外，提供的根据本发明的前述实施例只出于举例说明的目的，不构成对本发明的限定，本发明的范围由所附的权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种由二维光子晶体内的点缺陷组成的腔，该腔在一种二维光子晶体中，该二维光子晶体由限定在切片中的二维点阵的分布配置而成，该二维点阵由低折射率材料构成，所述低折射率材料具有相对于切片来说小的折射率，所述二维点阵具有相同的尺寸和形状，其特征在于：

在所述点阵中，所述点缺陷包含彼此相邻的三个或更多个阵点，并且在所述三个或更多个阵点中所述低折射率材料不存在于所述分布中；以及

在所述分布中，至少一个低折射率材料从至少一个最接近所述点缺陷的阵点移开预定的距离，该所述至少一个低折射率材料原本应是布置成对应于那些最接近所述点缺陷的阵点中的至少一个。

2.如权利要求1所述的腔，其特征在于在所述分布中，至少一个低折射率材料从至少一个次邻近所述点缺陷的阵点移开预定的距离，该所述至少一个低折射率材料原本应是布置成对应于那些次邻近所述点缺陷的阵点中的至少一个。

3.如权利要求1所述的腔，其特征在于点缺陷包含六个或更少的所述阵点。

4.如权利要求1所述的腔，其特征在于在腔中振荡的光波长可以依据于所述点缺陷的尺度和形状调节。

5.如权利要求1所述的腔，其特征在于包含所述多个阵点的所述点缺陷的形式为：所述多个阵点排列在一个线段中。

6.如权利要求1所述的腔，其特征在于在穿孔所述切片的柱中填充所述低折射率材料。

7.如权利要求1所述的腔，其特征在于二维点阵中的阵点排列成三角形点阵。

8.如权利要求1所述的腔，其特征在于切片具有2.0或更大的折射率。

9.如权利要求1所述的腔，其特征在于低折射率材料是空气。

10.在二维光子晶体中的一种通路加/减滤波器，包括：

至少一个由二维光子晶体内的线缺陷组成的波导；和

至少一个前述权利要求1所述的腔，该腔处于一个间隔中并与波导相邻地设置，在所述间隔中所述腔和所述波导之间产生电磁相互作用。

11.如权利要求10所述的通路加/减滤波器，包括多个所述的腔，其特征在于所述的腔在谐振频率上彼此不同。

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