CN109587585B - 基于有源微环谐振器的4×4无阻塞光路由器 - Google Patents

基于有源微环谐振器的4×4无阻塞光路由器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有源微环谐振器的4×4无阻塞光路由器，主要解决现有技术信号传输中堵塞的问题，其包括4个输入端口、4个输出端口、4根光波导和8个2×2基本光交换单元。每一根光波导与其它三根光波导交叉一次或两次，四根光波导共形成8个交叉点，每个交叉点放置一个基本光交换单元。每根光波导都有一个输入端口和一个输出端口。光信号从输入端口经过一个基本光交换单元转换或完全通过波导传输到输出端口。四个输入端口可同时输入一路到四路光信号，四个输出端口可同时输出与输入信号路数相同的光信号。由于本发明具有结构简单、成本低、集成度好、损耗小的特点，其可用于进行四个不同方向光信号之间的交换与传输。

Description

基于有源微环谐振器的4×4无阻塞光路由器
技术领域
本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种无阻塞光路由器，可用于进行四个不同方向光信号之间的交换与传输。
背景技术
随着信息通信需求的不断增大，基于电互连技术的片上系统已不能完全满足实际应用的需要。硅光子技术的进步使采用光互连进行通信的片上系统能够明显解决基于电互连技术的片上系统在带宽、时延以及功耗方面的不足。因此，基于光互连进行通信的片上系统在当今受到了广泛的应用。
作为片上光互连系统中必不可少的关键元件，光路由器也成为一个优化设计、创新结构的重点。目前基于微环谐振器的光路由器主要有两种：一种是无源的光路由器，另一种是有源的光路由器。其中：
无源的光路由器，其微环的谐振频率都是固定不变的，每个微环谐振器的外部不存在对应的控制器，不能通过外部的控制器调谐微环的谐振频率，只能使得与其频率相同的光信号发生转向，所以此种光路由器只能接收频率固定的光信号，应用受到了很大的局限。
有源的光路由器，其每一个微环谐振器均在外部对应一个控制器，外部控制器通过加热、加电等方法调谐微环的谐振波长，相应地控制微环谐振器将光信号从一根波导耦合到另一根波导上，从而实现光信号在传输中的转向。这种光路由器由于可以根据需要改变其微环的谐振频率，所以其可接受的光信号频率范围相比于无源的光路由器有了质的改善，具有更强的普适性。
利用有源光路由器这种优势，已有各种不同结构的有源光路由器，哥伦比亚大学Keren Bergman小组在文献“The case for low-power photonic networks on chip[C]//Proceedings of the 44th annual Design Automation Conference”(ACM,2007:132-135)和“On the design of a photonic network-on-chip[C]//Proceedings of theFirst International Symposium on Networks-on-Chip”(IEEE Computer Society,2007:53-64)中设计了一种基于有源微环谐振器的4×4光路由器，其设计的光路由器通过4个2×2光交换单元实现两两相互连接，从而组成一个井字型结构。该路由器有8个微环谐振器和4根光波导，包含4个输入端口和4个输出端口，分别满足东西南北4个方向信息的传输。但是这种结构的光路由器有一个很大的缺点，那就是阻塞，即在某两个方向进行信息传输时另外两个方向空闲的输入和输出端口之间无法传输信息。由于阻塞的存在，使这种光路由器在网络中的应用受到很大的限制，它只能用于负载小、阻塞不严重的网络中。
发明内容
本发明的目的在于针对上述4×4光路由器的不足，提出一种新结构的基于有源微环谐振器的4×4无阻塞光路由器，以避免阻塞，提高信号传输的效率，实现在对时延要求更高的网络中信号的高效互连互通。
为了实现上述目的，本发明包括：4个输入端口、4个输出端口、4根光波导和8个2×2基本光交换单元，其特征在于：
第一光波导G1依次与第三光波导G3、、第四光波导G4、第二光波导G2相交叉，其中与第四光波导G4有两次相交，形成四个交叉点，这四个交叉点依次放置第一基本光交换单元R1、第二基本光交换单元R2、第三基本光交换单元R3、第四基本光交换单元R4，该第一光波导G1的输入端口与第一输入端口I1为同一端口，输出端口与第三输出端口O3为同一端口；
第二光波导G2依次与第三光波导G3、第四光波导G4相交叉，其中与第三光波导G3有两次相交，形成三个交叉点，这三个交叉点依次放置第五基本光交换单元R5、第六基本光交换单元R6、第七基本光交换单元R7，该第二光波导G2的输入端口与第二输入端口I2为同一端口，输出端口与第一输出端口O1为同一端口；
第三光波导G3与第四光波导G4相交叉，该交叉点放置第八基本光交换单元R8，该第三光波导G3输入端口与第三输入端口I3为同一端口，输出端口与第四输出端口O4为同一端口；
第四光波导G4的输入端口与第四输入端口I4为同一端口，输出端口与第二输出端口O2为同一端口。
进一步，各基本光交换单元的放置位置如下：
第一基本光交换单元R1位于第一交叉点靠近第二输入端口I2与第一输入端口I1连线中点方向的一侧；
第二基本光交换单元R2位于第二交叉点靠近第三光波导G3弯曲点方向的一侧；
第三基本光交换单元R3位于第三交叉点靠近第二光波导G2弯曲点方向的一侧；
第四基本光交换单元R4位于第四交叉点靠近第三输出端口O3与第四输出端口O4连线中点方向的一侧；
第五基本光交换单元R5位于第五交叉点靠近第四输出端口O4与第二输入端口I2连线中点方向的一侧；
第六基本光交换单元R6位于第六交叉点靠近第三输入端口I3与第四输入端口I4连线中点方向的一侧；
第七基本光交换单元R7位于第七交叉点靠近第三输入端口I3与第一输出端口O1连线中点方向的一侧；
第八基本光交换单元R8位于第八交叉点靠近第一输出端口O2与第二输出端口O2连线中点方向的一侧。
本发明具有以下优点：
1.本发明由于每一个输入端口输入的光信号都主要经过一根光波导来传输，也就是4个输入端口的光信号主要由4根波导来传输，即第一输入端口I1输入的光信号主要通过第一光波导G1传输，第二输入端口I2输入的光信号主要通过第二光波导G2传输，第三输入端口I3输入的光信号主要通过第三光波导G3传输，第四输入端口I4输入的光信号主要通过第四光波导G4传输，而每一个输入端口的光信号都可以到达其它三个方向的输出端口之中的一个，也就存在一个方向的输入端口输入的光信号传输到另外三个方向输出端口的三条可能的传输路径，这其中有一条完全经过一根波导来传输，另两条传输路径分别通过一个微环谐振器来使光信号发生转换，使光信号传输到另外两个方向的输出端口，即本发明中的8个微环谐振器分别用于光信号在8条不同的传输路径中实现转换，这就造成了不同输入端口输入的光信号传输到不同输出端口的传输路径之间彼此独立，互不影响，所以不存在原有光路由器中的堵塞，四个输入端口可以同时输入四路光信号，四个输出端口可以同时输出四路光信号，实现四个方向的光信号之间的互连互通，相比原有结构，缩短了信号交换的所需的时长，可以大幅度提高信号交互的效率，实现信号更加高效的互连互通。
2.本发明由于仅使用4根光波导和8个2×2基本光交换单元，且仅使用4根光波导形成8个交叉点，并在每个交叉点放置一个2×2基本光交换单元，简化了结构，降低了成本，可以在相对较小的面积进行集成，且集成度较好。
3.本发明由于4根光波导形成的波导交叉点数和微环的使用数目都仅为8个，减少了波导交叉点数目和微环的使用数目，降低了在波导交叉点和微环使用处的总损耗。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中2×2基本光交换单元的“off”状态示意图；
图3是本发明中2×2基本光交换单元的“on”状态示意图；
图4是本发明的实例1的通信状态示意图；
图5是本发明的实例2的通信状态示意图；
图6是本发明的实例3的通信状态示意图；
图7是本发明的实例4的通信状态示意图。
具体实施方式
为使本发明的设计原理，达成目的以及优点更易理解，以下结合具体实例和附图，进一步详细说明。
参照图1，本光路由器为4×4结构设计，包括4个输入端口I1、I2、I3、I4、4个输出端口O1、O2、O3、O4、4根弯曲的波导G1、G2、G3、G4和8个2×2基本光交换单元R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，这4根弯曲的波导相互交叉，且交叉点放置基本光交换单元，其中：
所述第一光波导G1依次与第三光波导G3、第四光波导G4、第二光波导G2相交叉，且与第四光波导G4有两次相交，形成四个交叉点，即第一交叉点1，第二交叉点2，第三交叉点3，第四交叉点4；
所述第二光波导G2依次与第三光波导G3、第四光波导G4、第三光波导G3相交叉，形成三个交叉点，即第五个交叉点5，第六个交叉点6，第七个交叉点7；
所述第三光波导G3与第四光波导G4相交叉，形成一个交叉点，即第八交叉点8。
该第一交叉点1放置第一基本光交换单元R1，即第一基本光交换单元R1位于第一交叉点1靠近第二输入端口I2与第一输入端口I1连线中点方向的一侧；
该第二交叉点2放置第二基本光交换单元R2，即第二基本光交换单元R2位于第二交叉点2靠近第三光波导G3弯曲点方向的一侧；
该第三交叉点3放置第三基本光交换单元R3，即第三基本光交换单元R3位于第三交叉点3靠近第二光波导G2弯曲点方向的一侧；
该第四交叉点4放置第四基本光交换单元R4，即第四基本光交换单元R4位于第四交叉点4靠近第三输出端口O3与第四输出端口O4连线中点方向的一侧。
该第五交叉点5放置第五基本光交换单元R5，即第五基本光交换单元R5位于第五交叉点5靠近第四输出端口O4与第二输入端口I2连线中点方向的一侧；
该第六交叉点6放置第六基本光交换单元R6，即第六基本光交换单元R6位于第六交叉点6靠近第三输入端口I3与第四输入端口I4连线中点方向的一侧；
该第七交叉点7放置第七基本光交换单元R7，即第七基本光交换单元R7位于第七交叉点7靠近第三输入端口I3与第一输出端口O1连线中点方向的一侧。
该第八交叉点8放置第八基本光交换单元R8，即第八基本光交换单元R8位于第八交叉点8靠近第一输出端口O1与第二输出端口O2连线中点方向的一侧。
所述4个输入端口、4个输出端口与4根光波导的对应关系如下：
第一输入端口I1为第一光波导G1的输入端口，第一输出端口O1为第二光波导G2的输出端口；
第二输入端口I2为第二光波导G2的输入端口，第二输出端口O2为第四光波导G4的输出端口；
第三输入端口I3为第三光波导G3的输入端口，第三输出端口O3为第一光波导G1的输出端口；
第四输入端口I4为第四光波导G4的输入端口，第四输出端口O4为第三光波导G3的输出端口。
所述4个输入端口和4个输出端口的位置关系为：
第一输入端口I1所在位置与第四输入端口I4所在位置、第三输入端口I3所在位置与第二输入端口I2所在位置、第一输出端口O1所在位置与第四输出端口O4所在位置、第二输出端口O2所在位置与第三输出端口O3所在位置，均关于R2与R3连线和R5与R7连线的交点A对称。以第一输入端口I1为起点，按顺时针顺序，端口依次为第一输入端口I1、第二输出端口O2、第一输出端口O1、第三输入端口I3、第四输入端口I4、第三输出端口O3、第四输出端口O4和第二输入端口I2。
本光路由器这种4×4的结构，可使每个输入端口输入的光信号通过其它三个方向的输出端口输出，某一方向的输入不会从同一方向的输出端口输出,具体为：
第一输入端口I1输入的光信号只能从第二输出端口O2、第三输出端口O3、第四输出端口O4中的一个输出端口输出，不能从第一输出端口O1输出；
第二输入端口I2输入的光信号只能从第一输出端口O1、第三输出端口O3、第四输出端口O4中的一个输出端口输出，不能从第二输出端口O2输出；
第三输入端口I3输入的光信号只能从第一输出端口O1、第二输出端口O2、第四输出端口O4中的一个输出端口输出，不能从第三输出端口O3输出；
第四输入端口I4输入的光信号只能从第一输出端口O1、第二输出端口O2、第三输出端口O3中的一个输出端口输出，不能从第四输出端口O4输出。
所以其共有12条传输路径。光信号在光路由器中传输的过程中，每个光信号通过一个2×2基本光交换单元实现转向从而进行传输或者完全通过波导来传输，在这12条传输路径中，8条属于通过一个2×2基本光交换单元进行转向的传输路径，4条属于完全通过波导的传输路径。
本发明中的4个输入端口和4个输出端口都分别连接4个不同方向，一个输入端口和一个输出端口对应一个方向。在传输过程中，每一个输入端口输入的光信号都主要经过一根光波导来传输，也就是4个输入端口的光信号主要由4根波导来传输，即第一输入端口I1输入的光信号主要通过第一光波导G1传输，第二输入端口I2输入的光信号主要通过第二光波导G2传输，第三输入端口I3输入的光信号主要通过第三光波导G3传输，第四输入端口I4输入的光信号主要通过第四光波导G4传输，而每一个输入端口的光信号都可以到达其它三个方向的输出端口之中的一个，也就存在一个方向的输入端口输入的光信号传输到另外三个方向输出端口的三条可能的传输路径，这其中有一条完全经过一根波导来传输，另两条传输路径分别通过一个微环谐振器来使光信号发生转换，使光信号传输到另外两个方向的输出端口，即本实例中的8个微环谐振器分别用于对光信号在8条不同的传输路径中的转换，使得不同输入端口输入的光信号传输到不同输出端口的传输路径之间彼此独立，互不影响，所以本光路由器传输过程中不存在堵塞，四个输入端口可以同时输入四路光信号，四个输出端口也可以同时输出四路光信号。
参照图2和图3，本发明的8个2×2基本光交换单元结构相同，每个基本光交换单元包括两根交叉的光波导和一个与两根交叉光波导相耦合的微环谐振器以及在微环谐振器外部对应的一个控制器，且每个微环谐振器半径相同，每根光波导有一个输入端和一个输出端，两根交叉的光波导可以是四根光波导中的任意相互交叉的两根光波导。本实例的基本光交换单元为本发明8个2×2基本光交换单元的任意一个，实例中的两根交叉的波导为形成基本光交换单元所在交叉点的两根波导。为使说明简便，将两根相互交叉的光波导统称为一对交叉光波导Ga和Gb。
本实例的工作原理如下：
当光信号不需要通过微环谐振器实现其传输路径的改变时，基本光交换单元处于“off”状态，此时两根相互交叉的光波导Ga和Gb上可以同时传输来自两个输入端的两个不同方向的光信号，两个光信号在传输过程中信号基本不发生相互串扰，两个光信号各自进行传输，即波长为λ1的光信号从第一根交叉光波导Ga的输入端T1输入，从第一根交叉光波导Ga的输出端M1输出，波长为λ2的光信号从第二根交叉光波导Gb的输入端T2输入，从第一根交叉光波导Gb的输出端M2输出。在此状态下，微环谐振器的谐振波长λ0与两个不同方向光信号的波长λ1、λ2都不相同，从而使微环谐振器不耦合在波导上传输的光信号，保证微环谐振器对信号传输的影响较小，如图2所示。
当光信号需要经过微环谐振器耦合实现其传输路径的改变时，基本光交换单元处于“on”状态，此时两根交叉的光波导Ga和Gb上只能传输一个波长为λ3的光信号。此时微环谐振器的谐振波长λ0与光信号的波长λ3相等，光信号从第二根光波导Gb的输入端M2输入，微环谐振器将光信号从第二根交叉光波导Gb耦合到第一根交叉光波导Ga上，光信号从第一根交叉光波导Ga的输出端M1输出，如图3所示。
本发明四个输入端口可同时输入四路光信号或根据需要只输入一路或两路或三路光信号，四个输出端口可同时输出四路光信号或根据需要只输出一路或两路或三路光信号。当四个输入端口全部输入光信号，四个输出端口全部输出光信号时，光路由器处于全路由状态。
以下我们结合表1说明本发明四端口全路由状态中具体的微环使用情况。
表1四端口同时通信情况下，各通信状态的微环使用情况
Figure BDA0001949984440000071
Figure BDA0001949984440000081
表中，“无”表示传输路径中不经过处在谐振状态的微环。
因为本4×4光路由器可以实现最多4个光信号的同时输入与输出，所以4个端口全路由共有9种通信状态，这其中的1种不经过微环谐振器耦合，完全通过波导来进行传输，两种经过两个微环谐振器耦合，4种经过3个微环谐振器耦合，两种经过4个微环谐振器耦合。
以下通过两个实例结合附图来对本发明进一步解释说明。
实施例1：微环谐振器全部非谐振时的通信状态
参照图4，本实例中虚线所示的微环表示不被光信号经过，输入端口输入的光信号的波长与微环谐振器的谐振波长两者不相同，光信号分别经过四根弯曲的波导直接传输到输出端口，不与微环谐振器发生耦合，即第一输入端口I1输入的光信号经过第一光波导G1传输到第三输出端口O3；第二输入端口I2输入的光信号经过第二光波导G2传输到第一输出端口O1；第三输入端口I3输入的光信号经过第三光波导G3传输到第四输出端口O4；第四输入端口I4输入的光信号经过第四光波导G4传输到第二输出端口O2。
实施例2：四个微环谐振器谐振时的通信状态
参照图5，本实例中虚线表示的微环和波导不被光信号经过，输入端口输入的光信号都经过一个微环谐振器耦合，最终传输到输出端口，即第一输入端口I1输入的光信号先经过第一光波导G1传输到第一微环R1，通过微环的耦合实现转换，再通过第三光波导G3传输到第四输出端口O4；第二输入端口I2输入的光信号先经过第二光波导G2传输到第四微环R4，通过微环的耦合实现转换，再通过第一光波导G1传输到第三输出端口O3；第三输入端口I3输入的光信号先经过第三光波导G3传输到第八微环R8，通过微环的耦合实现转换，再通过第四光波导G4传输到第二输出端口O2；第四输入端口I4输入的光信号先经过第四光波导G4传输到第六微环R6，通过微环的耦合实现转换，再通过第二光波导G2传输到第一输出端口O1。
实施例3：两个微环谐振器谐振时的通信状态
参照图6，本实例中虚线表示的微环和波导不被光信号经过，有两个方向输入的光信号分别经过一个微环谐振器耦合，最终传输到输出端口，另两个方向输入的光信号不经过微环谐振器的耦合，完全经过波导传输到输出端口，即第一输入端口I1输入的光信号先经过第一光波导G1传输到第二微环R2，通过微环的耦合实现转换，再通过第四光波导G4传输到第二输出端口O2；第二输入端口I2输入的光信号完全经过第二光波导G2传输第一输出端口O1；第三输入端口I3输入的光信号完全经过第三光波导G3传输到第四输出端口O4；第四输入端口I4输入的光信号先经过第四光波导G4传输到第三微环R3，通过微环的耦合实现转换，再通过第一光波导G1传输到第三输出端口O3。
实施例4：三个微环谐振器谐振时的通信状态
参照图7，本实例中虚线表示的微环和波导不被光信号经过，有三个方向输入的光信号分别经过一个微环谐振器耦合，最终传输到输出端口，一个方向输入的光信号不经过微环谐振器的耦合，完全经过波导传输到输出端口，即第一输入端口I1输入的光信号先经过第一光波导G1传输到第二微环R2，通过微环的耦合实现转换，再通过第四光波导G4传输到第二输出端口O2；第二输入端口I2输入的光信号先经过第二光波导G2传输到第四微环R4，通过微环的耦合实现转换，再通过第一光波导G1传输到第三输出端口O3；第三输入端口I3输入的光信号完全经过第三光波导G3传输到第四输出端口O4；第四输入端口I4输入的光信号先经过第四光波导G4传输到第六微环R6，通过微环的耦合实现转换，再通过第二光波导G2传输到第一输出端口O1。
应当理解，上述实例仅用于解释本发明的相关原理和内部结构，并不限于本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于有源微环谐振器的4×4光路由器，包括4个输入端口(I1、I2、I3、I4)、4个输出端口(O1、O2、O3、O4)、4根光波导(G1、G2、G3、G4)和8个2×2基本光交换单元(R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8)，其特征在于：
第一光波导G1依次与第三光波导G3、第四光波导G4、第二光波导G2相交叉，其中与第四光波导G4有两次相交，形成四个交叉点(1，2，3，4)，这四个交叉点依次放置第一基本光交换单元R1、第二基本光交换单元R2、第三基本光交换单元R3、第四基本光交换单元R4，该第一光波导G1的输入端口与第一输入端口I1为同一端口，输出端口与第三输出端口O3为同一端口；
第二光波导G2依次与第三光波导G3、第四光波导G4相交叉，其中与第三光波导G3有两次相交，形成三个交叉点(5，6，7)，这三个交叉点依次放置第五基本光交换单元R5、第六基本光交换单元R6、第七基本光交换单元R7，该第二光波导G2的输入端口与第二输入端口I2为同一端口，输出端口与第一输出端口O1为同一端口；
第三光波导G3与第四光波导G4相交叉，交叉点(8)放置第八基本光交换单元R8，该第三光波导G3输入端口与第三输入端口I3为同一端口，输出端口与第四输出端口O4为同一端口；
第四光波导G4的输入端口与第四输入端口I4为同一端口，输出端口与第二输出端口O2为同一端口。
2.根据权利要求1所述的光路由器，其特征在于：各基本光交换单元的放置位置如下：
第一基本光交换单元R1位于第一交叉点(1)靠近第二输入端口I2与第一输入端口I1连线中点方向的一侧；
第二基本光交换单元R2位于第二交叉点(2)靠近第三光波导G3弯曲点方向的一侧；
第三基本光交换单元R3位于第三交叉点(3)靠近第二光波导G2弯曲点方向的一侧；
第四基本光交换单元R4位于第四交叉点(4)靠近第三输出端口O3与第四输出端口O4连线中点方向的一侧；
第五基本光交换单元R5位于第五交叉点(5)靠近第四输出端口O4与第二输入端口I2连线中点方向的一侧；
第六基本光交换单元R6位于第六交叉点(6)靠近第三输入端口I3与第四输入端口I4连线中点方向的一侧；
第七基本光交换单元R7位于第七交叉点(7)靠近第三输入端口I3与第一输出端口O1连线中点方向的一侧；
第八基本光交换单元R8位于第八交叉点(8)靠近第一输出端口O2与第二输出端口O2连线中点方向的一侧。
3.根据权利要求1所述的光路由器，其特征在于每一个输入端口的光信号都可以无阻塞地到达其它任意输出端口，实现光信号不同端口之间的无阻塞交换。
4.根据权利要求1所述的光路由器，其特征在于，某一方向的输入不会从同一方向的输出端口输出,具体为：
第一输入端口I1输入的光信号只能从第二输出端口O2、第三输出端口O3、第四输出端口O4中的一个输出端口输出，不能从第一输出端口O1输出；
第二输入端口I2输入的光信号只能从第一输出端口O1、第三输出端口O3、第四输出端口O4中的一个输出端口输出，不能从第二输出端口O2输出；
第三输入端口I3输入的光信号只能从第一输出端口O1、第二输出端口O2、第四输出端口O4中的一个输出端口输出，不能从第三输出端口O3输出；
第四输入端口I4输入的光信号只能从第一输出端口O1、第二输出端口O2、第三输出端口O3中的一个输出端口输出，不能从第四输出端口O4输出。
5.根据权利要求1所述的光路由器，其特征在于，每个2×2基本光交换单元对应一个微环谐振器，用于通过加热、加电控制微环谐振器的工作波长，进而控制波导上的光信号是否被微环谐振器耦合到另一个交叉的波导上：
当微环谐振器的工作波长与波导上传输的光信号的波长相同时，光信号被微环谐振器耦合到交叉的另一根波导上，实现光信号传输路径的转换；
当微环谐振器的工作波长与波导上传输的光信号的波长不同时，光信号仍沿原路径传输。
6.根据权利要求1所述的光路由器，其特征在于，
四个输入端口同时输入四路光信号或根据需要只输入一路或两路或三路光信号；
四个输出端口同时输出四路光信号或根据需要只输出一路或两路或三路光信号。
7.根据权利要求1所述的光路由器，其特征在于每个基本光交换单元的结构相同，其微环半径相同，且这些微环都具有相同的谐振波长。
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