CN103616674A - 光电探测器的最佳本振光功率的测量方法 - Google Patents

Abstract

光电探测器的最佳本振光功率的测量方法，为了解决过强的本振光会使光电探测器损坏的问题。它包括：步骤一：利用外差接收机结构，信号光和本振光在待测光电探测器光敏面上发生混频,求得待测光电探测器输出的电流i_d；步骤二：根据待测光电探测器与任意后接放大器的等效电路、所述待测光电探测器输出的电流i_d和平方率探测原理，求得信号光功率S和噪声功率N，并根据求得的信号光功率S和噪声功率N，求出信噪比

步骤三：求取当步骤二求得的信噪比

最大时的本振光功率，所述本振光功率为待测光电探测器的最佳本振光功率。它用于光电探测器的最佳本振光功率。

Description

光电探测器的最佳本振光功率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种最佳本振光功率的测量方法，特别涉及一种光电探测器的最佳本振光功率的测量方法。

背景技术

在外差探测系统中，通常利用本振光和待测区域目标的后向散射信号光的匹配混频来提取待测参数的信息。所谓的匹配过程有偏振态匹配、振幅匹配以及相位匹配三种。

振幅匹配并不困难，通过选择适当的本振光功率就可达到较好的匹配。对于相干激光多普勒测风雷达而言，本振光噪声是影响光外差探测的重要因素，从转换增益的角度考虑，希望本振光强，但是这又会使本振光噪声增加，使信噪比降低。从光电探测器角度讲，过强的本振光功率会造成探测器灵敏度的变化，使光电探测器进入非线性工作区域，进而影响信噪比。另外，过强的本振光会使光电探测器损坏，所以存在一个最佳的本振光功率使系统的信噪比达到最大。

发明内容

本发明的目的是为了解决过强的本振光会使光电探测器损坏的问题，本发明提供一种光电探测器的最佳本振光功率的测量方法。

光电探测器的最佳本振光功率的测量方法，它包括如下步骤：

步骤一：利用外差接收机结构，信号光和本振光在待测光电探测器光敏面上发生混频,求得待测光电探测器输出的电流i_d；

步骤二：根据待测光电探测器与任意后接放大器的等效电路、所述待测光电探测器输出的电流i_d和平方率探测原理，求得信号光功率S和噪声功率N，并根据求得的信号光功率S和噪声功率N，求出信噪比

步骤三：求取当步骤二求得的信噪比

最大时的本振光功率，所述本振光功率为待测光电探测器的最佳本振光功率。

本发明的优点是：在光电探测器的实际应用中，探测器灵敏度ρ₀是非线性的，本发明利用外差接收机结构求得所述待测光电探测器输出的电流i_d，再结合待测光电探测器与任意后接放大器的等效电路和平方率探测原理求得信噪比

信噪比

最大时对应的本振光功率为最佳本振光功率。利用本发明的的方法测量的最佳本振光功率经过实验验证的结果与本发明的方法得到的最后结果相符，测量出最佳的最佳本振光功率就避免了过强的本振光会使光电探测器损坏的问题。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的光电探测器的最佳本振光功率的测量方法的流程示意图。

图2为外差接收机结构的原理示意图。

图3为波长拓展型PIN光电探测器的归一化信噪比与本振光功率的曲线关系示意图。

图4为2μm平衡式InGaAs光电探测器的原理示意图，1为第一光电探测器、2为第二光电探测器、3为一级放大器、4为二级放大器、5为第一FC/APC端口和6为第二FC/APC端口。

图5为验证2μm平衡式InGaAs光电探测器的效果的实验电路原理图。

图6为图5所述示波器上观测到无输入光信号时本底噪声的频谱示意图。

图7为图5所述示波器上观测到本振光功率为0.18mW时外差信号频谱示意图。

图8为图5所述示波器上观测到本振光功率为0.27mW时外差信号频谱示意图。

图9为图5所述示波器上观测到本振光功率为0.49mW时外差信号频谱示意图。

图10为图5所述示波器上观测到本振光功率为0.63mW时外差信号频谱示意图。

图11为图5所述示波器上观测到本振光功率为0.98mW时外差信号频谱示意图。

图12为根据表2的数据得到的最佳本振光功率实验数据拟合曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，光电探测器的最佳本振光功率的测量方法，它包括如下步骤：

步骤一：利用外差接收机结构，信号光和本振光在待测光电探测器光敏面上发生混频,求得待测光电探测器输出的电流i_d；

步骤二：根据待测光电探测器与任意后接放大器的等效电路、所述待测光电探测器输出的电流i_d和平方率探测原理，求得信号光功率S和噪声功率N，并根据求得的信号光功率S和噪声功率N，求出信噪比

步骤三：求取当步骤二求得的信噪比

最大时的本振光功率，所述本振光功率为待测光电探测器的最佳本振光功率。

利光导型探测器或光伏型探测器都可以用于光外差(相干)系统中。图2为典型的外差接收机结构的原理示意图，利用合束器可以将信号光和本振光合成一束光，因此可以保证两束光的波阵面和偏振态完全匹配。合束后的光被透镜会聚到探测器上并在探测器光敏面上发生混频。

用外差接收机结构，信号光和本振光在待测光电探测器光敏面上发生混频，

信号光和本振光入射到待测光电探测器上合束后总光场的表达式为：

u=A_LOcosω₀t+A_Scos(ω₀t+ω_IFt)

其中，ω₀为入射光的载频，ω_IF为信号光与本振光的差频，A_LO为本振光振幅，A_S为信号光振幅；

则待测光电探测器上的入射光的光强为：

$I=\frac{{\mathrm{uu}}^{*}}{Z}=\frac{1}{Z}{[A_{\mathrm{LO}}\cos {\mathrm{\ω}}_{0}t+A_S\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}t)]}^2$

其中，Z为自由空间特征阻抗；

待测光电探测器输出的电流表示为：

$\begin{array}{c}{i}_d={\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{IA}=A\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{A}_{\mathrm{LO}}^2}{2Z}+A\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{A}_S^2}{2Z}+{\mathrm{A\ρ}}_0{A}_{\mathrm{LO}}{A}_S\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}t\right)\\ ={\mathrm{\ρ}}_0{P}_{\mathrm{LO}}+{\mathrm{\ρ}}_0{P}_S+{2\mathrm{\ρ}}_0\sqrt{P_{\mathrm{LO}}{P}_S}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}t\right)\end{array}$

其中，A为待测光电探测器光敏面的面积，ρ₀为待测光电探测器的灵敏度；P_LO为本振光功率，P_s为信号光功率，

为有效外差光功率；由于P_LO>>P_S，所以电流i_d中的ρ₀P_LO+ρ₀P_S≈ρ₀P_LO，即： $i_d={\mathrm{\ρ}}_0{P}_{\mathrm{LO}}+{2\mathrm{\ρ}}_0\sqrt{P_{\mathrm{LO}}{P}_S}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}t\right);$

根据待测光电探测器和任意后接放大器的等效电路、所述待测光电探测器输出的电流i_d和平方率探测原理，信号光功率S表示为：

$S={2\mathrm{\ρ}}_0^2{P}_{\mathrm{LO}}{P}_S{R}_e^2$

其中，r_e为待测光电探测器的并联电阻，R_L为连接待测光电探测器的任意放大器和偏置电路的等效阻抗，待测光电探测器的带宽为B，电阻和放大器引入的噪声用电阻R_e来表示，在工作温度T_e条件下，R_e等于r_e和R_L的并联；

噪声功率N为：

$N={2\mathrm{eB\ρ}}_0{P}_{\mathrm{LO}}{R}_e^2+{4\mathrm{BkT}}_e{R}_e$

式中，表示本振光引入的散粒噪声；4BkT_eR_e表示电阻R_e的热噪声；k为波尔茨曼常数；

信噪比表示为：

$\frac{S}{N}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2{P}_{\mathrm{LO}}{P}_S}{B[{\mathrm{e\ρ}}_0{P}_{\mathrm{LO}}+\frac{{2\mathrm{kT}}_e}{R_e}]}$

如果ρ₀是常数且不是P_LO的函数，那么通过增加P_LO将使本振光引起的散粒噪声占优，既有eρ₀P_LO>>2kT_e/R_e。那么，随着本振光功率P_LO的增加S/N将饱和并趋于一个常数，即：

$\frac{S}{N}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{P}_S}{\mathrm{Be}}$

这种情况称为外差探测系统的本振光散粒噪声极限。但是，实际光电探测器对入射光功率的响应是非线性的，即随入射光功率变化的，随着入射本振光功率的增加光电探测器的响应趋于饱和状态。因此，信噪比S/N随着本振光功率的增加出现一个最大值。

由此说明待测光电探测器的对入射光功率的响应为非线性的，而本实施方式就是针对当待测光电探测器的响应为非线性时，光电探测器的最佳本振光功率的测量方法。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的光电探测器的最佳本振光功率的测量方法的进一步说明，所述步骤一中利用外差接收机结构，信号光和本振光在待测光电探测器光敏面上发生混频,求得待测光电探测器输出的电流i_d的方法为：

二极管的内阻r_d不随入射本振光功率P_LO发生变化，光电探测器的二极管的光电流的合理模型为：

$i_d=\left(P_{\mathrm{in}}\right)={\mathrm{\ρ}}_0{P}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\αP}}_{\mathrm{in}}^2---\left(1\right)$

式中，0≤P_in≤1/2α，ρ₀为探测器的灵敏度，P_in为入射本振光功率，α为比例系数；

根据(1)式，通过测量i_d和P_in就可以利用最小二乘法拟合得到α和ρ₀的值，且在测量时外部负载电阻R_L远小于二极管的内阻r_d；

将关于P_LO进行泰勒级数展开，由于P_in=P_LO+P_het，且本振光功率P_LO必须大于信号光或者噪声功率,P_het为外差信号功率，则进行泰勒级数展开后精确到一阶导数项有：

$i_d=i_d\left(P_{\mathrm{LO}}\right)+\frac{\∂}{{\∂P}_{\mathrm{LO}}}\left[i_d\left(P_{\mathrm{LO}}\right)\right]P_{\mathrm{het}}=i_{\mathrm{DC}}+i_S---\left(2\right)$

其中，i_DC=ρ₀P_LO(1-αP_LO)， $i_S={2\mathrm{\ρ}}_0(1-{2\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})\sqrt{P_{\mathrm{LO}}{P}_S}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}t\right),$ P_S为信号光功率，ω_IF为信号光与本振光的差频，t为时间变量。

本实施方式中，由于r_d无法直接测量，为了测量i_d，要求外部负载电阻R_L必须远小于r_d，保证i_d全部通过R_L。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的光电探测器的最佳本振光功率的测量方法的进一步说明，所述步骤二中求出信噪比为：

等效电路不随本振光功率P_LO发生改变时,

$\frac{S}{N}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2{(1-{2\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})}^2{P}_{\mathrm{LO}}{P}_S}{B[{\mathrm{e\ρ}}_0{P}_{\mathrm{LO}}(1-{\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})+\frac{{2\mathrm{kT}}_e}{R_e}]}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{P}_S}{\mathrm{Be}}\left[\frac{{(1-{2\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})}^2{P}_{\mathrm{LO}}}{P_{\mathrm{LO}}(1-{\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})+\frac{{2\mathrm{kT}}_e}{{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{eR}}_2}]}\right]---\left(3\right)$

式中，B为待测光电探测器的带宽，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，R_e为等效电路中的噪声电阻，在工作温度T_e条件下,R_e等于r_e和R_L的并联，r_e为等效电路中待测光电探测器的并联电阻，R_L为等效电路中连接待测光电探测器的任意放大器和偏置电路的等效阻抗。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的光电探测器的最佳本振光功率的测量方法的进一步说明，所述步骤三中，求取当步骤二求得的信噪比

最大时的本振光功率的方法为：

利用 $\frac{S}{N}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{P}_S}{\mathrm{Be}}\left[\frac{{(1-{2\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})}^2{P}_{\mathrm{LO}}}{P_{\mathrm{LO}}(1-{\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})+\frac{{2\mathrm{kT}}_e}{{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{eR}}_e}]}\right]$ 对P_LO求一阶偏导并令

等于零后为：

$P_{\mathrm{LO}}^3-\frac{3}{2\mathrm{\α}}{P}_{\mathrm{LO}}^2-\frac{3Q}{\mathrm{\α}}{P}_{\mathrm{LO}}+\frac{Q}{{2\mathrm{\α}}^2}=0---\left(4\right)$

其中，Q=2kT_e/ρ₀eR_e，0≤P_LO≤1/2α，根据 $P_{\mathrm{LO}}^3-\frac{3}{2\mathrm{\α}}{P}_{\mathrm{LO}}^2-\frac{3Q}{\mathrm{\α}}{P}_{\mathrm{LO}}+\frac{Q}{{2\mathrm{\α}}^2}=0$ 求得的本振光功率P_LO为待测光电探测器的最佳本振光功率。

本实施方式中，P_LO单位是mW，ρ₀单位是mA/W，α单位是(mW)^-1。

实施例：

以2μm相干测风激光雷达系统中常用的波长拓展型PIN光电探测器为例，取其参数T_e=300K，R_e=50Ω，通过式(4)计算可以得到最佳本振光功率P_LO=0.268mW，其归一化信噪比与本振光功率的仿真曲线如图3所示。

通过图3可以知道，随着本振光功率P_LO的增加归一化信噪比先上升然后缓慢地下降，并且在P_LO为0.268mW时归一化信噪比SNR出现最大值，此时P_LO的位置即为最佳本振光功率的位置。

2μm平衡式外差光电探测器用来抑制本振光的散粒噪声及探测器的热噪声，同时完成信号光和本振光的拍频，并对拍频后的中频信号放大以满足数字信号处理系统的要求。

根据平衡外差探测原理，采用带光纤输入FC/APC端口的2μm平衡式InGaAs光电探测器，其集成电路图如图4所示，这种2μm平衡式InGaAs光电探测器可以收集通过50/50单模保偏光纤分束器的大气后向散射信号光和本振光，同时可以消除本振光产生的幅度噪声。整个探测器的电路部分是将光电二极管和放大器一起集成在微电子封装中。这种封装的优点是可以降低寄生电容，增加光电探测器的接收带宽。本实施例的2μm平衡式InGaAs光电探测器的主要的技术指标如表1所示。

表12μm平衡式探测器的技术指标

特性参数	符号	典型值	单位
				光谱响应范围	λ	2050	nm
灵敏度	ρ	1	A/W
				等效噪声功率	NEP	20	pA/(Hz)1/2
量子效率	η	0.7	—
				放大器增益	G	20	dB
-3dB带宽	BW	150	MHz
				输出阻抗	RB	50	Ω
跨到电阻	Rf	103	Ω
				工作电压	VB	5	V
输入端口	—	FC/APC	—
				损伤阈值	—	3	dBm

要想使外差探测系统满足振幅匹配就要确定探测器的最佳本振光功率的大小。因此，通过室内实验考察本振光功率对外差探测系统信噪比的影响，找到信噪比最大时对应的最佳本振光功率的值。由于实验室条件下难以模拟发生多普勒频移的大气回波信号，因此本实施例拟用2μm全光纤声光移频器(中心频率为105MHz)的1级衍射光频移模拟大气回波信号的多普勒频率，其频率移动大小可以通过射频驱动器精确控制。测量最佳本振光功率的实验方案如图5所示。

2μm单模保偏光纤激光器(最大输出线偏振光功率为100mW)的FC/APC输出端与2μm全光纤声光移频器的FC/APC输入端相连，其0级光经过在线式可调衰减器后与1级光通过2μm单模保偏光纤合束器(分束比为50/50)合束，然后合束后的光功率平均分为两部分，分别注入到2μm平衡式光电探测器的两个光敏面上，探测器输出的平衡外差信号经过中频放大器接到示波器上，在示波器上就可以观测到105MHz的外差信号，观测到的不同本振光功率下的外差信号频谱如图6至图11所示。

由于平衡式光电探测器的两个光电二极管的特性相同，因此为了在示波器上观测最佳本振光功率对外差信号信噪比的影响，可将平衡式探测器其中的任意一个输入端信号去掉，这样就得到了单元探测器的外差信号。

当光路调试完毕后，保持激光器输出功率为1.40mW，调节2μm全光纤声光移频器的射频驱动器，使1级光功率为0.13mW，调节0级光路中的可调衰减器使输出的本振光功率分别为0.18mW，0.27mW，0.49mW，0.63mW和0.98mW，此时通过示波器就可以观测到不同本振光功率对应的外差信号频域波形如图6至图11所示。需要说明的是，图6所示为2μm光电探测器在无输入光信号时本底噪声的频域波形。

通过图12可以看出，随着本振光功率的增加外差信号频谱的大小有一个先上升后下降的过程，并且在本振光功率为0.49mW时外差信号的频谱出现最大值，图2所示的外差信号频谱变化规律与本发明最后获得的结果一致。

表2P_l与SNR'的数值表

Pl(mW)	SNR'
		0.00	0.00
0.13	0.20
		0.24	0.63
0.40	0.83
		0.43	0.75
0.57	0.50
		0.75	0.16
0.90	0.06

利用2μm单模保偏光纤合束器所提供的衰减系数，可以通过计算得到理想情况下，入射到光电探测器光敏面的实际本振光功率P_l分别为0.13mW，0.24mW，0.40mW，0.43mW，0.57mW，0.75mW和0.90mW。利用式（4）可以算得不同本振光功率对应的归一化信噪比SNR'的数值如表2所示。

利用MATLAB7.0对表2中的实验数据进行拟合，得到的拟合曲线如图12所示。从图12中的拟合曲线可以看出，实验测得的最佳本振光功率的数值为0.40mW，实验结果与理论分析基本吻合，区别在于拟合曲线所达到最大归一化信噪比数值在理论计算数值以下。分析原因在于：(1)2μm单模保偏光纤合束器及其它光纤器件的衰减；(2)放大器噪声；(3)本振光和信号光的失配。把这些因素考虑进去，实验结果会与理论值符合的更好。

Claims (4)

1.光电探测器的最佳本振光功率的测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤一：利用外差接收机结构，信号光和本振光在待测光电探测器光敏面上发生混频,求得待测光电探测器输出的电流i_d；

步骤二：根据待测光电探测器与任意后接放大器的等效电路、所述待测光电探测器输出的电流i_d和平方率探测原理，求得信号光功率S和噪声功率N，并根据求得的信号光功率S和噪声功率N，求出信噪比

步骤三：求取当步骤二求得的信噪比

最大时的本振光功率，所述本振光功率为待测光电探测器的最佳本振光功率。

2.根据权利要求1所述的光电探测器的最佳本振光功率的测量方法，其特征在于，

所述步骤一中利用外差接收机结构，信号光和本振光在待测光电探测器光敏面上发生混频,求得待测光电探测器输出的电流i_d的方法为：

光电探测器的二极管的光电流的合理模型为：

$i_d=\left(P_{\mathrm{in}}\right)={\mathrm{\ρ}}_0{P}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{\αP}}_{\mathrm{in}}^2---\left(1\right)$

式中，0≤P_in≤1/2α，ρ₀为探测器的灵敏度，P_in为入射本振光功率，α为比例系数；

根据(1)式，通过测量i_d和P_in就利用最小二乘法拟合得到α和ρ₀的值，且在测量时外部负载电阻R_L远小于二极管的内阻r_d；

将

关于P_LO进行泰勒级数展开，由于P_in=P_LO+P_het，且本振光功率P_LO必须大于信号光或者噪声功率,P_het为外差信号功率，则进行泰勒级数展开后精确到一阶导数项有：

$i_d=i_d\left(P_{\mathrm{LO}}\right)+\frac{\∂}{{\∂P}_{\mathrm{LO}}}\left[i_d\left(P_{\mathrm{LO}}\right)\right]P_{\mathrm{het}}=i_{\mathrm{DC}}+i_S---\left(2\right)$

其中，i_DC=ρ₀P_LO(1-αP_LO)， $i_S={2\mathrm{\ρ}}_0(1-{2\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})\sqrt{P_{\mathrm{LO}}{P}_S}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}t\right),$ P_S为信号光功率，ω_IF为信号光与本振光的差频，t为时间变量。

3.根据权利要求1或2所述的光电探测器的最佳本振光功率的测量方法，其特征在于，所述步骤二中求出信噪比

为：

等效电路不随本振光功率P_LO发生改变时,

$\frac{S}{N}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0^2{(1-{2\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})}^2{P}_{\mathrm{LO}}{P}_S}{B[{\mathrm{e\ρ}}_0{P}_{\mathrm{LO}}(1-{\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})+\frac{{2\mathrm{kT}}_e}{R_e}]}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{P}_S}{\mathrm{Be}}\left[\frac{{(1-{2\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})}^2{P}_{\mathrm{LO}}}{P_{\mathrm{LO}}(1-{\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})+\frac{{2\mathrm{kT}}_e}{{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{eR}}_2}]}\right]---\left(3\right)$

式中，B为待测光电探测器的带宽，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，R_e为等效电路中的噪声电阻，在工作温度T_e条件下,R_e等于r_e和R_L的并联，r_e为等效电路中待测光电探测器的并联电阻，R_L为等效电路中连接待测光电探测器的任意放大器和偏置电路的等效阻抗。

4.根据权利要求3所述的光电探测器的最佳本振光功率的测量方法，

所述步骤三中，求取当步骤二求得的信噪比

最大时的本振光功率的方法为：

利用 $\frac{S}{N}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{P}_S}{\mathrm{Be}}\left[\frac{{(1-{2\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})}^2{P}_{\mathrm{LO}}}{P_{\mathrm{LO}}(1-{\mathrm{\αP}}_{\mathrm{LO}})+\frac{{2\mathrm{kT}}_e}{{\mathrm{\ρ}}_0{\mathrm{eR}}_e}]}\right]$ 对P_LO求一阶偏导并令

等于零后为：

$P_{\mathrm{LO}}^3-\frac{3}{2\mathrm{\α}}{P}_{\mathrm{LO}}^2-\frac{3Q}{\mathrm{\α}}{P}_{\mathrm{LO}}+\frac{Q}{{2\mathrm{\α}}^2}=0---\left(4\right)$

其中，Q=2kT_e/ρ₀eR_e，0≤P_LO≤1/2α，根据 $P_{\mathrm{LO}}^3-\frac{3}{2\mathrm{\α}}{P}_{\mathrm{LO}}^2-\frac{3Q}{\mathrm{\α}}{P}_{\mathrm{LO}}+\frac{Q}{{2\mathrm{\α}}^2}=0$ 求得的本振光功率P_LO为待测光电探测器的最佳本振光功率。

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