CN108182049B - 一种基于微环谐振器的二进制光学全加器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，由3个不同结构的微环谐振器和5个Y形分支耦合器构成，它有三个待计算的电脉冲序列输入，输出是经过有进位标志的加法计算后的光脉冲序列。本发明二进制光学全加器与CMOS工艺完全兼容，使得器件体积小，功耗低，速度快，可扩展性好，便于集成，在光子计算机中将发挥重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种基于微环谐振器的二进制光学全加器。
背景技术
随着半导体技术的发展，芯片上多处理器的密度不断增加，单片集成电路的集成度越来越高，这样的基础上，计算机的CPU获得了更高的主频，从而极大地提高了计算机的运算速度。计算机主频的提高带来了诸多问题,其中最大问题就是功耗急剧上升，其次是散热和漏电问题。显而易见，仅仅按照这一的发展模式很难再按照摩尔定律所规定的路线发展。针对这一问题，科学家们开始寻找基于新物理机理的计算机，其中包括光子计算机、量子计算机等。
众所周知，计算机的运算都是基于二进制数来计算的，虽然二进制数计算有‘加’、‘减’、‘乘’、‘除’四种，但是‘减’、‘乘’、‘除’都可以转化为加法进行计算。因此，设计出一款高速的加法器至关重要。二进制光学加法器将成为提高计算机性能的重要逻辑单元。
然而，目前出现的光学加法器主要是基于非线性光学原理，它需要光学加法器在工作时有一束高强度的激光作为泵浦光，工作条件极为苛刻，不易实现。更为致命的是基于非线性光学原理的光学加法器在制作工艺方面不能与当前的CMOS工艺兼容，大规模的生产较为困难。在二进制光学加法器的设计实例中，目前实现的只是半加器的设计。
发明内容
本发明旨在提供一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，其降低了工作条件的限制，并能与当前的CMOS工艺兼容，不需要使用强的激光作为泵浦光，易于操作。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，包括3个微环谐振器和5个Y形分支耦合器；每个微环谐振器上均带有1个调制机构；第一微环谐振器的输入端作为本二进制光学全加器的输入端口，第一微环谐振器的直通端与第二微环谐振器的第二输入端相连，第一微环谐振器的下载端连接第二微环谐振器的第一输入端相连；第二微环谐振器的第一直通端与第二Y分支耦合器的第一直通波导相连，第二微环谐振器的第二直通端与第一Y分支耦合器的第二直通波导相连，第二微环谐振器的第一下载端与第一Y分支耦合器的第三直通波导相连，第二微环谐振器的第二下载端与第三Y分支耦合器的第二直通波导相连；第三微环谐振器的第一输入端与第三Y分支耦合器的第一直通波导相连，第三微环谐振器的第二输入端与第一Y分支耦合器的第一直通波导相连，第一直通端与第五Y分支耦合器的第二直通波导相连，第二直通端与第四Y分支耦合器的第二直通波导相连；第三微环谐振器的第一下载端与第四Y分支耦合器的第三直通波导相连，第三微环谐振器的第二下载端悬置；第二Y分支耦合器的第二直通波导与第五Y分支耦合器的第三直通波导相连，第二Y分支耦合器的第三直通波导与第三Y分支耦合器的第三直通波导相连；第四Y分支耦合器的第一直通波导作为本二进制光学全加器的输出端口；第五Y分支耦合器的第一直通波导作为本二进制光学全加器的进位输出端口。
上述方案中，3个微环谐振器的谐振波长完全一致。
上述方案中，第一微环谐振器由相互独立不相交的2个直线形波导和1个环形波导组成；2个直线形波导相互平行，其中一条直线形波导的两端为第一微环谐振器的输入端和直通端，另一条直线形波导的一端为第一微环谐振器的下载端；环形波导位于2个直线形波导之间，并与之相邻。
上述方案中，第二微环谐振器由相互独立不相交的反L形波导、倒L形波导、直线形波导和环形波导组成；反L形波导位于环形波导的前侧，反L形波导的垂直端为第二微环谐振器的第一输入端，反L形波导的水平端为第二微环谐振器的第二直通端；倒L形波导位于环形波导的右侧，倒L形波导的水平端为第二微环谐振器的第二输入端，倒L形波导的垂直端为第二微环谐振器的第一直通端；直线形波导位于环形波导的下侧，直线形波导远离倒L形波导的一端为第二微环谐振器的第一下载端，直线形波导靠近倒L形波导的一端为第二微环谐振器的第二下载端。
上述方案中，第三微环谐振器由相互独立的反L形波导、倒L形波导、直线形波导和环形波导组成；反L形波导位于环形波导的前侧，反L形波导的垂直端为第三微环谐振器的第一输入端，反L形波导的水平端为第三微环谐振器的第二直通端；倒L形波导位于环形波导的右侧，倒L形波导的水平端为第三微环谐振器的第二输入端，倒L形波导的垂直端为第三微环谐振器的第一直通端；直线形波导位于环形波导的下侧，直线形波导远离倒L形波导的一端为第三微环谐振器的第一下载端，直线形波导靠近倒L形波导的一端为第二微环谐振器的第二下载端。
上述方案中，调制机构位于环形波导的上方。
上述方案中，调制机构为硅基电光调制器或硅基热光调制器。
与现有技术相比，本发明利用微环谐振器对特定波长的谐振特性，将微环谐振器作为开关使用，并与光波导巧妙组合，利用光学的方式来实现两个二进制数相加并求和，一位全加器可以处理低位进位，并输出本位加法进位，以实现计算机技术中的二进制加法运算。利用了光的自然特性代替传统的电学逻辑器件，避免了传统电学器件对信号的影响，实现了高速大容量的信息处理，提高了计算机的性能，降低了计算机的能耗。工艺方面实现了与CMOS工艺的兼容，使得器件的体积小，速度快，扩展性好，延时小，便于与其他器件的大规模集成。
附图说明
图1是一种基于微环谐振器的二进制光学全加器的结构示意图。
图2是第一微环谐振器的结构示意图。
图3是第二和第三微环谐振器的结构示意图。
图4是带硅基热光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图。
图5是带硅基电光调制器的微环谐振器MRR的电极的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，本文中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
参见图1，一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，包括3个微环谐振器(MRR)和5个Y形分支耦合器。图1中，Input表示连续光输入端口，Y和CO表示运算后的光输出端口，待运算的电学信号作为调制信号加在3个微环谐振器上。3个微环谐振器和5个Y形分支耦合器均由波导构成，所述波导为由绝缘体上的半导体材料制成。
所述第一微环谐振器上带有第一调制机构，该第一微环谐振器具有两个耦合区，包括1个输入端，1个直通端和1个下载端。输入端作为二进制光学全加器的输入端口Input，用于输入预设波长的激光。直通端，用于输出当第一微环谐振器不满足微环谐振条件时的第一输入端输入的激光。下载端，用于输出当第一微环谐振器满足微环谐振条件时的第一输入端输入的激光。
所述第二微环谐振器上带有第二调制机构，该第二微环谐振器具有三个耦合区，包括2个输入端，2个直通端和2个下载端。第一输入端，与第一微环谐振器的下载端相连通。第二输入端，与第一微环谐振器的直通端相连通。第一直通端，与第二Y分支耦合器的第一直通波导相连，用于当第二微环谐振器不满足微环谐振条件时，输出从第二输入端输入的激光。第二直通端，与第一Y分支耦合器的第二直通波导相连，用于当第二微环谐振器不满足微环谐振条件时，输出从第一输入端输入的激光。第一下载端，与第一Y分支耦合器的第三直通波导相连，用于当第二微环谐振器满足微环谐振条件时，输出从第二输入端输入的激光。第二下载端，与第三Y分支耦合器的第二直通波导相连，用于当第二微环谐振器满足微环谐振条件时，输出从第一输入端输入的激光。
所述第三微环谐振器上带有第三调制机构，该第三微环谐振器具有三个耦合区，包括2个输入端，2个直通端和2个下载端。第一输入端，与第三Y分支耦合器的第一直通波导相连。第二输入端，与第一Y分支耦合器的第一直通波导相连。第一直通端，与第五Y分支耦合器的第二直通波导相连，用于当第三微环谐振器不满足微环谐振条件时，输出从第二输入端输入的激光。第二直通端，与第四Y分支耦合器的第二直通波导相连，用于当第二微环谐振器不满足微环谐振条件时，输出从第一输入端输入的激光。第一下载端，与第四Y分支耦合器的第三直通波导相连，用于当第三微环谐振器满足微环谐振条件时，输出从第一输入端或是第二输入端输入的激光。第二下载端，悬置。
所述第一Y分支耦合器的第一直通波导与第三微环谐振器的第二输入端相连通，第二直通波导与第二微环谐振器的第二直通端相连通，第三直通波导与第二微环谐振器的第一下载端相连通。
所述第二Y分支耦合器的第一直通波导与第二微环谐振器的第一直通端相连通，第二直通波导与第五Y分支耦合器的第三直通波导相连通，第三直通波导与第三Y分支耦合器的第三直通波导相连通。
所述第三Y分支耦合器的第一直通波导与第三微环谐振器的第一输入端相连通，第二直通波导与第二微环谐振器的第二下载端相连通，第三直通波导与第二Y分支耦合器的第三直通波导相连通。
所述第四Y分支耦合器的第一直通波导作为二进制光学全加器的输出端口Y，第二直通波导与第三微环谐振器的第二直通端相连通，第三直通波导与第三微环谐振器的下载端相连通。
所述第五Y分支耦合器的第一直通波导作为二进制光学全加器的进位输出端，第二直通波导与第三微环谐振器的第一直通端相连通，第三直通波导与第二Y分支耦合器的第二直通波导相连通。
在本发明中，3个微环谐振器是二进制光学全加器的基本单元，都是由互不交叉的波导构成。因为在整个结构中没有波导交叉的出现，所以减少了由于波导交叉所带来的插入损耗及串扰问题，提高了微环谐振器的性能。理论上，3个微环谐振器的谐振波长完全一致。
第一微环谐振器的结构由相互独立不相交的2个直线形波导和1个环形波导组成，如图2所示。第一直线形波导，呈直线形，其两端分别为第一微环谐振器的第一输入端Input1和第二直通端Through2。第二直线形波导，呈直线形，与第一波导平行放置，其一端为第一微环谐振器的第三下载端Drop3。第一环形波导，呈环形，位于第一调制机构的下方，与第一直波导和第二直波导相邻，用于当光信号传输满足微环谐振器的谐振条件时，将第一微环谐振器的第一输入端Input1输入信号耦合至第一微环谐振器的第三下载端Drop3输出。上述2个直线形波导和1个环形波导由绝缘体上的半导体材料制成。
对于如图2所示的第一微环谐振器，假设光信号从第一输入端Input1，输入，当光信号经过耦合区时，通过倏逝场耦合作用，光信号会耦合进入环形波导中，环形波导中的光信号也会通过倏逝场耦合作用进入第二直波导中。对于满足谐振条件的光信号会被微环谐振器下载，光信号从第三下载端Drop3输出，对于不满足谐振条件的光信号将会毫无影响的通过耦合区从第二直通端Through2输出。
第二微环谐振器和第三微环谐振器的结构相同，现以第二微环谐振器为例进行说明：所述第二微环谐振器由相互独立不相交的反L形波导、倒L形波导、直线形波导和环形波导组成，如图3所示。第三波导(即反L形波导)，呈反“L”形，其两端分别为第二微环谐振器第一输入端Input1和第二直通端Through4。第四波导(即倒L形波导)，呈倒“L”形，与第三波导相对且不相交，其两端分别为第二微环谐振器第二输入端Input2和第一直通端Through3。第五波导(即直线形波导)，呈直线形，位于第四波导的一侧，与第四波导的一边垂直但不相交，平行于第三波导的一边，其远离第四波导的一端为第二微环谐振器的第一下载端Drop5，靠近第四波导的一端为第二微环谐振器的第二下载端Drop6。第二环形波导，呈环形，位于第二调制机构的下方，第四波导的一侧，第五波导和第三波导的一边中间，用于当光信号传输满足微环谐振器的谐振条件时，将第二微环谐振器的第一输入端Input1输入信号和第二输入端Input2输入信号耦合至第二微环谐振器的第二下载端Drop6和第一下载端Drop5输出。第二微环谐振器中，第一输入端Input1与第一微环谐振器的下载端相连通。第二输入端Input2与第一微环谐振器的直通端相连通。上述反L形波导、倒L形波导、直线形波导和环形波导
对于如图3所示的第二微环谐振器和第三微环谐振器，其在工作时光信号的输入有两种情况：第一种情况，光信号从Input1输入，如果微环谐振器处于谐振状态，则光信号会在Drop6输出，如果微环谐振器处于非谐振状态，则光信号会在Through4输出。第二种情况，光信号从Input2输入，如果微环谐振器处于谐振状态，则光信号会Drop5输出，如果微环谐振器处于非谐振状态，则光信号会在Through3输出。
上面分析的是微环谐振器的静态工作特性，它将下载某些固定波长的光信号(满足谐振条件的波长)，而某些波长的光信号直通(不满足谐振条件的波长)。实际工作时，需要微环谐振器的谐振波长动态可调，以实现更复杂的功能。由谐振条件m×λ＝Ng×2π×R(其中m表示微环谐振级次，其值为正整数，λ为谐振波长，Ng为波导的有效折射率，R为微环的半径)可知，要实现谐振波长的动态可调，可以改变物理量微环半径R和有效折射率Ng。微环半径R在工艺完成之后就确定下来了，无法进行调节，所以此处通过调节微环的有效折射率来实现。有效折射率与制造微环的材料的折射率有关，而改变材料的折射率有两种方法：一是对材料加热，改变材料的温度，利用热光效应改变材料折射率。二是利用电光效应通过载流子注入改变材料的折射率。由于热调制速度受热对流速度影响，而电调制速度取决于载流子的寿命，故电调制速度较快，一般在高速系统中采用电调制。
上述每个微环谐振器的环形波导上均设有调制机构。调制机构用于利用输入的待运算的电脉冲信号调制所对应微环谐振器满足或不满足谐振条件，当输入的脉冲信号不满足微环谐振条件时，将输入的脉冲信号由微环谐振器的直通端输出，当输入的脉冲信号满足微环谐振条件时，将输入的脉冲信号由微环谐振器的下载端输出。所述调制机构为硅基电光调制器或硅基热光调制器。
带有硅基热光调制器的微环谐振器的电极，如图4所示，Si衬底上有SiO2层，SiO2层上有硅基光波导，在硅基光波导的上方铺设了一层发热电极，在发热电极的引线上施加电压，会有电流通过电极，该电极会产生热量通过辐射的方式改变硅基光波导的温度，从而改变环形波导的有效折射率，继而改变MRR的谐振波长。
带有硅基热光调制器的微环谐振器的电极，如图5所示，它是依靠改变硅基光波导中载流子浓度来改变波导的折射率。电光调制器的结构比热光调制器的结构复杂，制作过程更简单，所以一般在高速系统中使用硅基电光调制，在对器件响应速度要求不高的场合采用硅基热光调制。
对于图1所示的二进制光学全加器的光路结构，在光信号的输入端Input输入处于工作波长的连续光信号cw，然后分别对三个微环加上调制电压，改变微环的谐振波长，假设微环谐振器在调制电压低电平时谐振，调制电压为高电平时微环谐振器不谐振，并定义输出端口有光输出时用逻辑“1”表示，输出端口无光输出时用逻辑“0”表示，该二进制光学全加器共有八种工作状态。下面结合结构图详细分析器件的工作原理：
当第一微环谐振器MR1加低电平(逻辑‘0’)，第二微环谐振器MR2加低电平(逻辑‘0’)，第三微环谐振器MR3也加低电平(逻辑‘0’)，这时3个微环谐振器都处于谐振状态，在光的输出端口Y和CO都没有光输出(逻辑值都为‘0’)，用二进制数可以表示为0+0+0＝00；当微环谐振器MR1加低电平(逻辑‘0’)，MR2加高电平(逻辑‘1’)，MR3加低电平(逻辑‘0’)，这时微环谐振器MR1和MR3处于谐振状态，微环谐振器MR2处于非谐振状态，在光的输出端口Y有光输出(逻辑‘1’)，在光的输出端口CO没有光输出(逻辑‘0’)，用二进制数可以表示为0+1+0＝10；当微环谐振器MR1加高电平(逻辑‘1’)，MR2加低电平(逻辑‘0’)，MR3加低电平(逻辑‘0’)，这时微环谐振器MR2和MR3处于谐振状态，微环谐振器MR1处于非谐振状态，在光的输出端口Y有光输出(逻辑‘1’)，在光的输出端口CO没有光输出(逻辑‘0’)，用二进制数可以表示为1+0+0＝10；当微环谐振器MR1加高电平(逻辑‘1’)，MR2加高电平(逻辑‘1’)，MR3加低电平(逻辑‘0’)，这时微环谐振器MR1和MR2处于非谐振状态，微环谐振器MR3处于谐振状态，在光的输出端口Y没有光输出(逻辑‘0’)，在光的输出端口CO有光输出(逻辑‘1’)，用二进制数可以表示为1+1+0＝01；当微环谐振器MR1加低电平(逻辑‘0’)，MR2加低电平(逻辑‘0’)，MR3加高电平(逻辑‘1’)，这时微环谐振器MR1和MR2处于谐振状态，微环谐振器MR3处于非谐振状态，在光的输出端口Y有光输出(逻辑‘1’)，在光的输出端口CO没有光输出(逻辑‘0’)，用二进制数可以表示为0+0+1＝10；当微环谐振器MR1加低电平(逻辑‘0’)，MR2加高电平(逻辑‘1’)，MR3加高电平(逻辑‘1’)，这时微环谐振器MR2和MR3处于非谐振状态，微环谐振器MR1处于谐振状态，在光的输出端口Y没有光输出(逻辑‘0’)，在光的输出端口CO有光输出(逻辑‘1’)，用二进制数可以表示为0+1+1＝01；当微环谐振器MR1加高电平(逻辑‘1’)，MR2加低电平(逻辑‘0’)，MR3加高电平(逻辑‘1’)，这时微环谐振器MR1和MR3处于非谐振状态，微环谐振器MR2处于谐振状态，在光的输出端口Y没有光输出(逻辑‘0’)，在光的输出端口CO有光输出(逻辑‘1’)，用二进制数可以表示为1+0+1＝01；当微环谐振器MR1加高电平(逻辑‘1’)，MR2加高电平(逻辑‘1’)，MR3也加高电平(逻辑‘1’)，这时三个微环谐振器都处于非谐振状态，在光的输出端口Y和CO都有光输出(逻辑值都为‘1’)，用二进制数可以表示为1+1+1＝11；从以上例子中可以看出该器件输入的是待计算的二进制高低电平电信号，输出的是经过加法运算后的光信号。该全加器完成加法运算的真值表如表1所示。
表1二进制光学全加器运算的真值表
| CI | X1 | X2 | Y | CO |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
如表1所示，逻辑表达式为：CI+X1+X2＝YCO。其中，YCO表示一个组合，不是两个数相乘，如CO＝1，Y＝0，则YCO表示二进制数01。
本发明的二进制光学全加器由3个不同结构的微环谐振器和5个Y形分支耦合器构成，它有三个待计算的电脉冲序列输入，输出是经过有进位标志的加法计算后的光脉冲序列。本发明二进制光学全加器与CMOS工艺完全兼容，使得器件体积小，功耗低，速度快，可扩展性好，便于集成，在光子计算机中将发挥重要作用。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (7)
1.一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，其特征是，包括3个微环谐振器和5个Y形分支耦合器；其中每个微环谐振器上均带有1个调制机构；
第一微环谐振器的输入端作为本二进制光学全加器的输入端口，第一微环谐振器的直通端与第二微环谐振器的第二输入端相连，第一微环谐振器的下载端连接第二微环谐振器的第一输入端相连；
第二微环谐振器的第一直通端与第二Y分支耦合器的第一直通波导相连，第二微环谐振器的第二直通端与第一Y分支耦合器的第二直通波导相连，第二微环谐振器的第一下载端与第一Y分支耦合器的第三直通波导相连，第二微环谐振器的第二下载端与第三Y分支耦合器的第二直通波导相连；
第三微环谐振器的第一输入端与第三Y分支耦合器的第一直通波导相连，第三微环谐振器的第二输入端与第一Y分支耦合器的第一直通波导相连，第一直通端与第五Y分支耦合器的第二直通波导相连，第二直通端与第四Y分支耦合器的第二直通波导相连；第三微环谐振器的第一下载端与第四Y分支耦合器的第三直通波导相连，第三微环谐振器的第二下载端悬置；
第二Y分支耦合器的第二直通波导与第五Y分支耦合器的第三直通波导相连，第二Y分支耦合器的第三直通波导与第三Y分支耦合器的第三直通波导相连；
第四Y分支耦合器的第一直通波导作为本二进制光学全加器的输出端口；
第五Y分支耦合器的第一直通波导作为本二进制光学全加器的进位输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，其特征是，3个微环谐振器的谐振波长完全一致。
3.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，其特征是，第一微环谐振器由相互独立不相交的2个直线形波导和1个环形波导组成；
2个直线形波导相互平行，其中一条直线形波导的两端为第一微环谐振器的输入端和直通端，另一条直线形波导的一端为第一微环谐振器的下载端；
环形波导位于2个直线形波导之间，并与之相邻。
4.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，其特征是，第二微环谐振器由相互独立不相交的反L形波导、倒L形波导、直线形波导和环形波导组成；
反L形波导位于环形波导的前侧，反L形波导的垂直端为第二微环谐振器的第一输入端，反L形波导的水平端为第二微环谐振器的第二直通端；
倒L形波导位于环形波导的右侧，倒L形波导的水平端为第二微环谐振器的第二输入端，倒L形波导的垂直端为第二微环谐振器的第一直通端；
直线形波导位于环形波导的下侧，直线形波导远离倒L形波导的一端为第二微环谐振器的第一下载端，直线形波导靠近倒L形波导的一端为第二微环谐振器的第二下载端。
5.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，其特征是，第三微环谐振器由相互独立的反L形波导、倒L形波导、直线形波导和环形波导组成；
反L形波导位于环形波导的前侧，反L形波导的垂直端为第三微环谐振器的第一输入端，反L形波导的水平端为第三微环谐振器的第二直通端；
倒L形波导位于环形波导的右侧，倒L形波导的水平端为第三微环谐振器的第二输入端，倒L形波导的垂直端为第三微环谐振器的第一直通端；
直线形波导位于环形波导的下侧，直线形波导远离倒L形波导的一端为第三微环谐振器的第一下载端，直线形波导靠近倒L形波导的一端为第二微环谐振器的第二下载端。
6.根据权利要求3～4中任意一项所述的一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，其特征是，调制机构位于环形波导的上方。
7.根据权利要求1所述的一种基于微环谐振器的二进制光学全加器，其特征是，调制机构为硅基电光调制器或硅基热光调制器。
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