CN106477870A - 多模光纤的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多模光纤的制造方法。该制造方法具有下述工序：为了实现期望的折射率分布，一边对折射率调整用的添加材料的供给速度进行控制、一边形成第1玻璃母材的工序；对第1玻璃母材进行拉丝的工序；对拉丝后的多模光纤的在径方向上的残留应力分布进行测定的工序；对应于根据测定出的残留应力分布而求出的、折射率相对于期望的折射率分布的偏差，进行添加材料的供给速度的修正的工序；一边按照修正后的供给速度供给添加材料、一边形成第2玻璃母材的工序；以及对第2玻璃母材进行拉丝的工序。

Description

多模光纤的制造方法
技术领域
本发明涉及多模光纤的制造方法。
背景技术
本申请主张基于在2015年9月1日申请的日本申请第2015－171896号的优先权，援引在所述日本申请中记载的全部记载内容。
日本特开2006－290710号公报公开了光纤预成形体及光纤的制造方法。作为该文献所公开的方法，预先求出光纤的制造过程中的折射率分布的变化，基于其变化对光纤预成形体或者光纤的至少一者的制造条件进行调整。
日本特表2014－534944号公报公开了光纤的制造方法。作为该文献所公开的方法，首先，向炉内提供预成形体，从该预成形体以多个不同的拉丝张力拉丝出多个光纤。而且，该方法对该多个光纤的频带特性进行测定，对与期望的频带特性接近的光纤的拉丝张力设定值进行选择。
本发明的一个实施方式所涉及的多模光纤的制造方法具有下述工序：为了实现第1多模光纤的在径方向上的期望的折射率分布，一边对折射率调整用的添加材料的供给速度进行控制、一边形成圆柱状的第1玻璃母材的工序；通过对由第1形成工序形成的第1玻璃母材进行拉丝，形成第1多模光纤的工序；对拉丝后的第1多模光纤的在径方向上的残留应力分布进行测定的工序；对应于根据测定出的残留应力分布而求出的、折射率相对于期望的折射率分布的偏差，进行添加材料的供给速度的修正的工序；一边按照修正后的供给速度供给添加材料、一边形成圆柱状的第2玻璃母材的工序；以及通过对由第2形成工序形成的第2玻璃母材进行拉丝，形成第2多模光纤的工序。
附图说明
图1表示本发明的一个实施方式所涉及的多模光纤的与中心轴线垂直的剖面处的内部构造的一个例子。
图2表示多模光纤所具有的折射率分布。
图3概略地表示在多模光纤的制造中使用的拉丝装置的结构。
图4是表示本实施方式所涉及的多模光纤的制造方法的各工序的流程图。
图5是表示测定出的残留应力分布的一个例子的曲线图。
图6是表示由残留应力引起的折射率的偏差的分布的例子的曲线图。
图7是表示基于图6得到的、添加材料的供给速度的变更量的曲线图。
图8表示玻璃母材的与中心轴线垂直的剖面。
发明内容
光纤是通过将圆柱状的玻璃母材沿中心轴方向进行拉丝而形成的。多模光纤具有例如渐变型等各种折射率分布。为了实现上述折射率分布，在制造多模光纤时，一边使折射率调整用的添加材料的供给速度在径方向上变化、一边形成玻璃母材。
但是，在从玻璃母材拉丝出多模光纤时，有时在多模光纤产生残留应力。残留应力对多模光纤的折射率分布造成影响。因此，即使为了对多模光纤赋予期望的折射率分布而高精度地形成玻璃母材的折射率分布，拉丝后的多模光纤的折射率分布也会从期望的折射率分布偏离。由此，产生多模光纤的频带特性变化这样的问题。
本公开的目的在于提供一种能够使由拉丝后的残留应力引起的折射率分布的偏差减小的多模光纤的制造方法。
发明的效果
根据本公开所涉及的多模光纤的制造方法，能够使由拉丝后的残留应力引起的折射率分布的偏差减小。
具体实施方式
[本发明的实施方式的说明]
首先，列举本发明的实施方式的内容而进行说明。
本发明的一个实施方式所涉及的多模光纤的制造方法具有下述工序：为了实现多模光纤的在径方向上的期望的折射率分布，一边对折射率调整用的添加材料的供给速度进行控制、一边形成圆柱状的第1玻璃母材的工序；通过对第1玻璃母材进行拉丝，形成第1多模光纤的工序；对拉丝后的第1多模光纤的在径方向上的残留应力分布进行测定的工序；对应于根据测定出的残留应力分布而求出的、折射率相对于期望的折射率分布的偏差，进行添加材料的供给速度的修正的工序；一边按照修正后的供给速度供给添加材料、一边形成圆柱状的第2玻璃母材的工序；以及通过对第2玻璃母材进行拉丝，形成第2多模光纤的工序。
根据本发明人的见解，拉丝后的多模光纤中的残留应力的大小与折射率的偏差的大小密切相关。因此，通过对残留应力分布进行测定，与其测定结果相对应地对折射率调整用的添加剂的供给速度进行修正(进行调整)，从而能够使由残留应力引起的折射率分布的偏差减小。
在上述的制造方法中，可以在进行添加材料的供给速度的修正的工序中，进行供给速度的修正，以使得第2玻璃母材的添加材料供给范围的最外缘处的添加材料的供给速度大于或等于零。如果将添加材料的供给速度设定为使根据测定出的残留应力换算出的折射率的偏差抵消，则根据残留应力值，有时添加材料的供给速度成为负值。由于在多模光纤的纤芯附近，越远离中心轴线、折射率变得越小，因此特别是在添加材料供给范围(在典型情况下是与纤芯相当的区域)的最外缘附近，容易发生如上所述的现象。因此，通过进行供给速度的修正，以使得添加材料供给范围的最外缘处的添加材料的供给速度大于或等于零，从而能够避免添加材料的供给速度成为负值的情况，有效地减小由残留应力引起的折射率分布的偏差。
在上述的制造方法中，可以在进行添加材料的供给速度的修正的工序中，在将与第1多模光纤的纤芯相当的第1玻璃母材的区域的半径设为r1时，进行添加材料的供给速度的修正的区域的半径r2小于半径r1。根据本发明人的见解，在多模光纤的纤芯的最外缘附近，残留应力的大小针对每个制造批次而变动得较大，残留应力不稳定。因此，如上所述通过仅针对将与残留应力不稳定的区域相当的区域除去后的、玻璃母材的纤芯相当区域进行供给速度的修正，从而能够高精度地减小由残留应力引起的折射率分布的偏差。另外，在该情况下，也可以进行供给速度的修正，以使得进行修正的区域的最外缘处的添加材料的供给速度大于或等于零。由此，与上述的方法同样地，能够避免添加材料的供给速度成为负值的情况，有效地减小由残留应力引起的折射率分布的偏差。另外，在该情况下，半径r2也可以小于或等于半径r1的0.95倍。
在上述的制造方法中，可以在形成第1玻璃母材的工序、及形成第2玻璃母材的工序中，使用OVD(Outside Vapor Deposition)法、MCVD(Modified Chemical VaporDeposition)法或PCVD(Plasma-activated Chemical Vapor Deposition)法中的任意方法，至少形成与第1及第2多模光纤的纤芯相当的第1及第2玻璃母材的区域。如上所述，在通过在径方向上使玻璃堆积的方法而形成玻璃母材的情况下，能够特别适合进行上述的制造方法。
[本发明的实施方式的详细内容]
下面，参照附图，说明本发明的实施方式所涉及的多模光纤的制造方法的具体例。本发明并不限定于这些例示，包含由权利要求书表示而与权利要求书等同的含义以及范围内的所有变更。在下面的说明中，在附图的说明中对相同的要素标注相同的标号，省略重复的说明。
图1表示本实施方式所涉及的多模光纤1A的与中心轴线AX垂直的剖面中的内部构造的一个例子。如图1所示，多模光纤1A具有：纤芯10，其以石英玻璃为主材料；以及包层12，其设置于纤芯10的外周面上，以石英玻璃为主材料。纤芯10沿中心轴线AX延伸，其剖面形状为圆形。纤芯10的外径D1例如大于或等于47.5μm而小于或等于52.5μm。包层12的外周面和纤芯10的外周面相互为同心圆，以中心轴线AX为中心。包层12的外径D2，例如大于或等于123μm而小于或等于127μm。
为了将在多模光纤1A中传输的光封闭在纤芯10，纤芯10的折射率大于包层12的折射率。在这里，图2表示多模光纤1A所具有的折射率分布。该折射率分布表示图1所示的与中心轴线AX正交的直线L1上的各部的折射率，相当于多模光纤1A的沿径方向的折射率分布。从纤芯10的中心即中心轴线AX至距离D1/2为止的区域是相当于纤芯10的区域，从距离D1/2至距离D2/2为止的区域是相当于包层12的区域。如图2所示，纤芯10在其中心即中心轴线AX处具有最大折射率n1。而且，纤芯10的折射率从中心朝向外周缘逐渐变小，在最外缘处与包层12的折射率n2一致。因此，包层12的折射率n2小于纤芯10的最大折射率n1。
上述的折射率分布，是在纤芯10及包层12中通过向石英玻璃添加折射率调整用的添加材料而实现的。即，纤芯10及包层12的折射率对应于向石英玻璃添加的添加材料的浓度而变化。图2所示的纤芯10的径方向上的折射率的变化是通过使添加剂的浓度在径方向上变化而实现的。作为折射率调整用的添加材料，使用例如GeCl4这样的包含Ge的材料等能够使折射率变化的各种材料。
接下来，对多模光纤1A的制造方法进行说明。图3概略地表示在多模光纤1A的制造中使用的拉丝装置20的结构。拉丝装置20通过对圆柱状的玻璃母材30的一端进行拉丝，从而形成多模光纤1A。玻璃母材30包含与纤芯10相当的区域30a和与包层12相当的区域30b。拉丝装置20具有：加热器21，其对所设置的玻璃母材30的一端进行加热；以及卷绕鼓轮22，其将玻璃母材30的加热后的一端一边施加规定的张力一边进行卷绕。在卷绕鼓轮22沿箭头R所示的方向旋转时，对卷绕鼓轮22的旋转速度进行调节，由此对纤芯10及包层12各自的外径进行调整。另外，通过对加热器21的加热温度进行调节，从而对向玻璃母材30的加热后的一端施加的张力(拉丝张力)进行调整。
图4是表示本实施方式所涉及的多模光纤1A的制造方法的各工序的流程图。在该制造方法中，首先，形成圆柱状的第1玻璃母材30(参照图3)(工序S1)。该工序S1中，使用例如OVD法、MCVD法、PCVD法中的任意方法而形成玻璃母材30中的至少相当于纤芯10的区域30a。即，通过在径方向上堆积石英玻璃而形成玻璃母材30的该区域30a。此时，一边供给折射率调整用的添加材料、一边使石英玻璃堆积(沉积)。而且，与根据从堆积开始起的时间和堆积速度而求出的玻璃母材30的径方向位置相对应地控制添加材料的供给速度，以实现多模光纤1A的在径方向上的期望的折射率分布(参照图2)。
接下来，使用图3所示的拉丝装置20，进行通过上述工序S1而形成的玻璃母材30的拉丝(工序S2)。由此，形成第1多模光纤1A。
然后，对通过上述工序S2而形成的拉丝后的多模光纤1A的径方向上的残留应力分布进行测定(工序S3)。主要的残留应力除了因为多模光纤1A的石英玻璃组成而产生以外，还因为在上述工序S2中由石英玻璃被拉长而产生。图5是表示测定出的残留应力分布的一个例子的曲线图。在图5中，纵轴表示残留应力(单位：MPa)，横轴表示以中心轴线为原点的径方向位置(单位：μm)。正侧的残留应力对应于拉伸应力，负侧的残留应力对应于压缩应力。图中的范围A1表示多模光纤1A的纤芯10的范围，范围A2表示包层12的范围。如图5所示，在范围A1和范围A2中，残留应力的分布形状相互不同。例如，在范围A1中，随着从中心轴线向周缘部接近，残留应力减小，在范围A2中，随着从与范围A1的边界向周缘部接近，残留应力增加。如上所述的残留应力分布是一个例子，本实施方式的制造方法能够应用于各种残留应力分布形状。优选在该工序S2中，多次进行残留应力分布的测定，将各次的测定结果平均，这样较好。
然后，与根据在上述工序S3中测定出的残留应力分布而求出的、折射率相对于期望的折射率分布(参照图2)的偏差相对应地进行添加材料的供给速度的修正(工序S4)。图6是表示由残留应力引起的折射率的偏差Δn的分布的例子的曲线图，与之前例示出的图5的残留应力分布对应。在图6中，纵轴表示相对于期望的折射率分布的折射率偏差Δn(单位：％)，横轴表示以中心轴线为原点的径方向位置(单位：μm)。在从残留应力分布向折射率分布换算时，能够使用例如IEEE发行的文献“Denshi Tokyo第28卷”的140～142页记载的系数、－4.2×10-12Pa-1。
图7是表示基于图6得到的、添加材料的供给速度的变更量的曲线图。在图7中，纵轴表示供给速度的变更量，即修正前的供给速度和修正后的供给速度之差，横轴表示以中心轴线为原点的径方向位置(单位：μm)。在本实施方式中不向相当于包层12的区域30b供给添加材料，因此仅在相当于纤芯10的区域30a中示出供给速度的变更量。
在该工序S4中，可以进行供给速度的修正，以使得在后面记述的工序S5中制作的第2玻璃母材30的添加材料供给范围的最外缘处的添加材料的供给速度大于或等于零。作为一个例子，在根据由残留应力引起的折射率的偏差而计算出的供给速度的变更量的结果为，在添加材料供给范围的最外缘处变更量为负的情况下，可以将其变更量的绝对值在添加材料供给范围的整体上相加。所谓玻璃母材30的添加材料供给范围，在本实施方式中是指相当于纤芯10的区域30a。但是，在折射率分布遍及至包层12的一部分的情况下，添加材料供给范围包含相当于该部分的区域。
然后，一边按照修正后的供给速度供给添加材料、一边形成圆柱状的第2玻璃母材30(工序S5)。在该工序S5中，与上述的工序S1同样地，使用例如OVD法、MCVD法、PCVD法中的任意方法形成玻璃母材30中的至少相当于纤芯10的区域30a。
然后，使用图3所示的拉丝装置20，进行通过上述工序S5形成的玻璃母材30的拉丝(工序S6)。由此，形成折射率的偏差被校正后的第2多模光纤1A。根据需要，可以再次对第2多模光纤1A的径方向上的残留应力分布进行测定，对根据残留应力分布而求出的、折射率相对于期望的折射率分布的偏差小于或等于规定的阈值这一情况进行确认。
对通过以上说明的本实施方式所涉及的多模光纤1A的制造方法而得到的效果进行说明。根据本发明人的见解，拉丝后的多模光纤中的残留应力的大小与折射率的偏差的大小密切相关。因此，对残留应力分布进行测定，与其测定结果相对应地对折射率调整用的添加剂的供给速度进行修正(进行调整)，由此能够使由残留应力引起的折射率分布的偏差减小。特别地，在多模光纤的情况下，与单模光纤不同，如果径方向的折射率分布从适当的α次方分布偏离，则频带特性劣化，因此为了得到宽频带特性，优选相对于适当的α次方分布的折射率分布的偏差尽可能小。在本实施方式的方法中，如前述所示，对多模光纤的径方向的残留应力分布进行实际测定，将测定结果反映于折射率调整用添加材料的流量条件，由此能够使相对于适当的α次方分布的折射率分布的偏差减小。
前述的日本特开2006－290710号公报所公开的方法，是适用于色散补偿光纤、波分复用的光纤的方法，是以单模光纤为前提的。因此，关于折射率的偏差的校正，仅提及了纤芯和包层的相对折射率差的校正。另外，残留应力是根据玻璃母材(预成形体)的构造而计算的。在如本实施方式所述的多模光纤的情况下，纤芯10的径方向的折射率分布与期望的折射率分布(例如α次方分布)高精度地一致，这对于宽频带产品而言是重要的，日本特开2006－290710号公报所公开的方法是不充分的。另外，前述的日本特表2014－534944号公报所公开的方法需要以不同的拉丝张力对多个玻璃母材(预成形体)进行拉丝，因此存在光纤的成品率降低的问题。根据本实施方式的制造方法，能够解决这些问题，有效地减小多模光纤的折射率分布的偏差。
如本实施方式所示，在工序S4中，可以进行供给速度的修正，以使得第2玻璃母材30中的添加材料供给范围的最外缘处的添加材料的供给速度大于或等于零。残留应力的大小在添加材料供给范围(在典型情况下是相当于纤芯10的区域30a)的最外缘并不是必须为零。因此，如果将添加材料的供给速度设定为使根据测定出的残留应力换算出的折射率的偏差抵消，则根据残留应力值，有时添加材料的供给速度成为负值。由于在多模光纤1A的纤芯10附近，越远离中心轴线AX、折射率变得越小(参照图2)，因此特别是在添加材料供给范围的最外缘附近，容易发生如上所述的现象。因此，通过进行供给速度的修正，以使得添加材料供给范围的最外缘处的添加材料的供给速度大于或等于零，从而能够避免添加材料的供给速度成为负值的情况，有效地减小由残留应力引起的折射率分布的偏差。
在添加材料的供给范围的最外缘处，优选添加材料的供给速度为零。这是因为，在添加材料的供给范围的最外缘处的添加材料的供给速度大于零的情况下，在没有供给添加材料的添加材料供给范围的外侧的区域(在典型情况下是相当于包层12的区域30b)和添加材料供给范围的边界部分处添加材料的流量条件不连续地变化。在添加材料供给范围和其外侧的区域的边界，优选添加材料的流量条件连续、且顺滑地变化。
如本实施方式所述，在工序S1及S5中，使用OVD法、MCVD法、PCVD法中的任意方法至少形成与多模光纤1A的纤芯10相当的玻璃母材30的区域30a。如上所述，在通过在径方向上使石英玻璃堆积的方法而形成玻璃母材30的情况下，特别适合进行本实施方式的工序S3、S4，能够取得上述的效果。
(变形例)
在这里，对上述实施方式的一个变形例进行说明。图8表示玻璃母材30的与中心轴线垂直的剖面，表示作为本变形例中的添加材料供给速度的修正对象的区域B 1。在上述实施方式的工序S4中，与纤芯10相当的玻璃母材30的区域30a是添加材料供给速度的修正对象，但本变形例的对象区域B 1小于区域30a。换言之，在将区域30a的半径设为r1时，进行添加材料的供给速度的修正的区域B 1的半径r2小于半径r1。在一个例子中，半径r2小于或等于半径r1的0.95倍。
根据本发明人的见解，在多模光纤1A的纤芯10的最外缘附近，残留应力的大小针对每个制造批次而变动得较大，残留应力不稳定。因此，如上所述地仅针对将与残留应力不稳定的区域相当的区域除去后的区域进行供给速度的修正，从而能够高精度地减小由残留应力引起的折射率分布的偏差。
另外，在本变形例中，可以进行供给速度的修正，以使得玻璃母材30中的修正对象区域B1的最外缘处的添加材料的供给速度大于或等于零。由此，与上述实施方式同样地，能够避免添加材料的供给速度成为负值的情况，有效地减小由残留应力引起的折射率分布的偏差。作为一个例子，在根据由残留应力引起的折射率的偏差而计算出的供给速度的变更量的结果为，在修正对象区域B1的最外缘处变更量为负的情况下，可以将其变更量的绝对值在修正对象区域B1的整体上相加。
(第1实施例)
下面，对上述实施方式的实施例进行说明。在本实施例中，首先，使用OVD法制作玻璃母材30的纤芯相当区域30a，对其折射率分布进行测定。此时，确认到纤芯相当区域30a的折射率分布成为作为目标的适当的α次方分布。而且，使用VAD法，在纤芯相当区域30a的外周制作包层相当区域30b，得到玻璃母材30。然后，进行了玻璃母材30的拉丝。此时，将玻璃部分的张力设为150g。对拉丝后的光纤的残留应力进行测定的结果，得到了前述的图5所示的残留应力分布。此外，残留应力的测定是通过应用了光弹性效应的方法而进行的。具体的测定方法的一个例子在例如日本特开2003－315184号公报中进行了公开。
而且，从测定出的残留应力分布仅导出纤芯10的残留应力分布，换算为相对于期望的折射率分布的折射率的偏差。在从残留应力分布向折射率分布换算时，使用了前述的系数(－4.2×10-12Pa-1)。接下来，对与沉积时的径方向的折射率分布对应的GeCl4流量(供给速度)模式进行了修正，以使得对该折射率分布的偏差(图6)进行校正。具体地说，将折射率分布的偏差(图6)的曲线图上下反转，与最初的GeCl4流量模式相加。
在对GeCl4流量模式进行修正时，即使修正后的流量模式的一部分成为负值，则实质上也不能进行修正，因此同时进行相加固定值的校正，以使得修正后的流量模式的最小值成为正值。
在以上述方式制作出的纤芯相当区域30a形成包层相当区域30b而作为玻璃母材30，以张力150g进行拉丝。对所得到的多模光纤的频带进行测定的结果为，850nm下的OFL频带为3600MHz·km，有效频带为6500MHz·km，得到满足OM4的频带的多模光纤。
(第2实施例)
在本第2实施例中，仅使用在第1实施例中将残留应力换算为GeCl4流量模式时，从纤芯10的中心轴线至纤芯10的半径的0.95倍为止的范围的残留应力的值，对GeCl4流量模式进行修正。此时，将固定值与GeCl4流量模式相加，以使得修正对象区域(直至纤芯10的0.95倍为止的范围)的最外缘的GeCl4流量成为零。
在以上述方式制作出的纤芯相当区域30a形成包层相当区域30b而作为玻璃母材30，以拉丝张力150g进行拉丝。对所得到的多模光纤的频带进行测定的结果为，850nm下的OFL频带为3800MHz·km，有效频带为6800MHz·km，得到满足OM4的频带的多模光纤。
(对比例)
在本对比例中，没有在第1实施例中进行基于残留应力的GeCl4流量模式的修正，而制作玻璃母材30并进行拉丝。对所得到的多模光纤的频带进行测定的结果为，850nm下的OFL频带为1500MHz·km，有效频带为4500MH·km，没有得到满足OM4的频带的多模光纤。
本发明所涉及的多模光纤的制造方法并不限定于上述的实施方式及实施例等，能够进行其他各种变形。例如，在上述实施方式中对包层部分的折射率分布平坦的情况进行了例示，但包层部分可以具有各种折射率分布。例如，即使在包层部分的折射率分布包含所谓的沟槽(槽)部的情况下，也能够适当地实现本发明的效果。

Claims (6)

1.一种多模光纤的制造方法，其具有下述工序：
为了实现多模光纤的在径方向上的期望的折射率分布，一边对折射率调整用的添加材料的供给速度进行控制、一边形成圆柱状的第1玻璃母材的工序；
通过对所述第1玻璃母材进行拉丝，形成第1多模光纤的工序；
对拉丝后的所述第1多模光纤的在径方向上的残留应力分布进行测定的工序；
对应于根据测定出的所述残留应力分布而求出的、折射率相对于所述期望的折射率分布的偏差，进行所述添加材料的供给速度的修正的工序；
一边按照修正后的供给速度供给所述添加材料、一边形成圆柱状的第2玻璃母材的工序；以及
通过对所述第2玻璃母材进行拉丝，形成第2多模光纤的工序。
2.根据权利要求1所述的多模光纤的制造方法，其中，
在进行所述添加材料的供给速度的修正的工序中，进行所述供给速度的修正，以使得所述第2玻璃母材的添加材料供给范围的最外缘处的所述添加材料的供给速度大于或等于零。
3.根据权利要求1或2所述的多模光纤的制造方法，其中，
在进行所述添加材料的供给速度的修正的工序中，在将与所述第1多模光纤的纤芯相当的所述第1玻璃母材的区域的半径设为r1时，进行所述添加材料的供给速度的修正的区域的半径r2小于所述半径r1。
4.根据权利要求3所述的多模光纤的制造方法，其中，
在进行所述添加材料的供给速度的修正的工序中，进行所述供给速度的修正，以使得进行所述修正的区域的最外缘处的所述添加材料的供给速度大于或等于零。
5.根据权利要求3或4所述的多模光纤的制造方法，其中，
所述半径r2小于或等于所述半径r1的0.95倍。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多模光纤的制造方法，其中，
在形成所述第1玻璃母材的工序、及形成所述第2玻璃母材的工序中，使用OVD法、MCVD法或PCVD法，至少形成与所述第1及第2多模光纤的纤芯相当的所述第1及第2玻璃母材的区域。
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