CN110927887B - 一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法及装置，属于光纤器件制造技术领域。本发明的耦合装置通过耦合连接器在Y波导传统尾纤与空芯光子带隙光纤之间设置渐变折射率透镜，渐变折射率透镜的耦合面都是斜切，传统光纤斜切端面与渐变折射率透镜的耦合面平行对接，空芯光子带隙光纤以确定的最佳耦合角度与渐变折射率透镜的另一耦合面对接。本发明方法通过建立仿真耦合模型，计算取得最大耦合效率时对应的最佳耦合角度和最佳耦合间距，利用所述的耦合装置实现空芯光子带隙光纤和传统光纤的耦合。本发明实现了空芯光子带隙光纤与传统光纤可插拔式低损耗、低背向反射的耦合，并且耦合过程操作简单，耦合性能可靠。

Description

一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法及装置

技术领域

本发明属于光纤器件制造技术领域，具体涉及一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法及装置。

背景技术

空芯光子带隙光纤是一种新型的微结构光纤，基于光子带隙效应导光，包层为周期排列的二维光子晶体，产生光子带隙，纤芯大空气孔破坏了包层的周期性结构，产生缺陷态，从而限制光在纤芯中传输。相较于传统光纤，空芯光子带隙光纤具有良好的环境适应性，运用于光纤陀螺中可以改善陀螺性能，目前已实验证明，空芯光子带隙光纤陀螺在环境适应性上具有明显优势，被公认为是下一代光纤陀螺。

空芯光子带隙光纤陀螺中光纤环与Y波导连接构成闭合回路敏感载体转速信息，光纤环与Y波导的连接质量直接影响转速测量精度。目前空芯光子带隙光纤陀螺中空芯光子带隙光纤环与Y波导的连接方式是尾纤熔接，有平切和斜切两种熔接方式。熔接时熔点处折射率突变，产生很强的背向反射，背向反射光会与主光束发生干涉，影响相位检测精度。平切熔接方式的背向反射可达-14dB，无法满足陀螺需要。熔接时产生的高温还会引起空芯光子带隙光纤的端面空气孔塌陷，产生极大熔接损耗。相较于平切熔接，斜切熔接方式在一定程度上可以降低背向反射，但熔接损耗会大幅度提高，增加陀螺噪声。另外，由于空芯光子带隙光纤端面的多孔结构，熔接点的强度极低，导致陀螺可靠性下降。总之，目前空芯光子带隙光纤与Y波导尾纤熔接方式存在背向反射强、损耗大、强度低等缺点，严重限制空芯光子带隙光纤陀螺的发展。

发明内容

本发明针对上述目前空芯光子带隙光纤与Y波导尾纤熔接方式的缺点，提出一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法及装置。

本发明提供的可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合装置，包括Y波导传统尾纤、空芯光子带隙光纤、渐变折射率透镜和耦合连接器。其中，传统光纤的耦合端为斜切，空芯光子带隙光纤的耦合端为平切。渐变折射率透镜的左右端面都是斜切，斜切角度与传统光纤的斜切角度相同，渐变折射率透镜的纵切面为梯形。耦合连接器上设置有渐变折射率透镜安装槽、传统光纤耦合端的插槽以及空芯光子带隙光纤适配器的插槽。渐变折射率透镜安装在渐变折射率透镜安装槽中。传统光纤耦合端的插槽与空芯光子带隙光纤适配器的插槽分别设置在渐变折射率透镜安装槽的两侧。

参与耦合的空芯光子带隙光纤端夹持于光纤适配器内，插入所述的空芯光子带隙光纤适配器的插槽中并通过螺纹与耦合连接器固定；参与耦合的传统光纤端为光纤跳线头，插入所述的传统光纤耦合端的插槽中并通过螺纹与耦合连接器固定。在固定连接后，传统光纤的斜切端面与渐变折射率透镜的左端面平行对接，空芯光子带隙光纤以最佳耦合角度和最佳耦合间距与渐变折射率透镜的右端面对接。固定连接后，传统光纤与空芯光子带隙光纤的轴线夹角为最佳耦合角度。

传统光纤斜头跳线头沿定位槽插入耦合连接器的传统光纤耦合端，并通过螺纹固定；剥除空芯光子带隙光纤一定长度的涂覆层，将裸纤插入光纤适配器并切割端面，然后将光纤适配器沿定位槽插入耦合连接器的空芯光子带隙光纤耦合端，并通过螺纹固定，完成空芯光子带隙光纤与传统光纤的耦合。根据实际需要，可松开螺纹，将传统光纤斜头跳线头和空芯光子带隙光纤适配器从耦合连接器内拔出。当需耦合时，可再次将传统光纤斜头跳线头和空芯光子带隙光纤适配器插入耦合连接器两端，并固定螺纹，实现一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合装置。

优选地，传统光纤的耦合端为斜8°面，渐变折射率透镜的左右两个端面为斜8°面。

本发明提供的空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法，具体步骤包括：

步骤1、确定最佳耦合角度和最佳耦合间距；

在空芯光子带隙光纤与传统光纤之间插入渐变折射率透镜，进行模场变换，以此降低空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合模场失配损耗。其中，为了降低耦合面处的背向反射，传统光纤为斜切，渐变折射率透镜的两个耦合面也斜切，与传统光纤的斜切角度相同。本步骤利用仿真软件建立耦合模型，包括：传统光纤与渐变折射率透镜的第一个耦合面平行对接；空芯光子带隙光纤的端面为平切，空芯光子带隙光纤以耦合间距Δ和耦合角度θ与渐变折射率透镜的第二个耦合面对接；光通过传统光纤入射进渐变折射率透镜，在渐变折射率透镜的第二个耦合面处发生折射，根据折射定律计算出光束折射角，光束在折射点处存在发散角，折射光在耦合间距Δ内发散。利用仿真软件计算不同耦合角度θ和不同耦合间距Δ下空芯光子带隙光纤通过渐变折射率透镜与传统光纤的耦合效率，选取其中最大耦合效率对应的最佳耦合角度和最佳耦合间距。

步骤2、设计可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合连接器，使得空芯光子带隙光纤将以最佳耦合角度和最佳耦合间距与渐变折射率透镜进行耦合；

本发明中传统光纤采用光纤斜头跳线，空芯光子带隙光纤通过光纤适配器夹持，根据光纤跳线头、适配器和渐变折射率透镜等参数，以及确定的最佳耦合角度设计制作耦合连接器。所述的耦合连接器包括两部分，分别是传统光纤耦合端和空芯光子带隙光纤耦合端；在将渐变折射率透镜安装在传统光纤耦合端后，将传统光纤耦合端与空芯光子带隙光纤耦合端粘合固定，两个粘合固定的端面为斜面，斜面角度为最佳耦合角度的一半；在粘合固定后，传统光纤耦合端和空芯光子带隙光纤耦合端的轴线夹角为最佳耦合角度。

步骤3、将空芯光子带隙光纤与传统光纤通过耦合连接器实现耦合。

将夹持了空芯光子带隙光纤的光纤适配器和光纤跳线头分别通过螺纹固定于耦合连接器两端，实现空芯光子带隙光纤与传统光纤的耦合。

本发明的耦合装置及方法，与现有技术相比，具有以下优势和积极效果：

(1)本发明实现了空芯光子带隙光纤与传统光纤低损耗耦合。本发明运用渐变折射率透镜的模场变换作用，实现空芯光子带隙光纤与传统光纤模场匹配，降低了模场失配损耗。设计的耦合连接器保证了空芯光子带隙光纤与传统光纤以最佳耦合角度耦合，降低了对准偏差损耗。

(2)本发明实现了空芯光子带隙光纤与传统光纤低背向反射耦合。本发明耦合面为8°斜切，有效降低了耦合面的背向反射光，背向反射可达-50dB以下。

(3)本发明实现了空芯光子带隙光纤与传统光纤可插拔式耦合。本发明耦合方法中空芯光子带隙光纤与传统光纤的耦合点可根据具体情况拆除或连接而无需永久破坏耦合点，可运用于空芯光子带隙光纤的多种传感领域，使用范围广泛。

(4)本发明空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合过程简单，性能可靠。本发明中传统光纤直接采用商用传统光纤跳线，空芯光子带隙光纤平切，耦合时两者都无需研磨，操作简单。而且本发明设计的耦合装置中空芯光子带隙光纤与传统光纤都采用螺纹固定，耦合点强度大，耦合性能可靠。

附图说明

图1是空芯光子带隙光纤陀螺中空芯光子带隙光纤环与Y波导尾纤熔接构成的敏感组件示意图；

图2是本发明所采用的空芯光子带隙光纤端面结构图；

图3是本发明耦合方法方案原理图；

图4是本发明耦合装置中的空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合连接器的示意图；

图5是本发明耦合装置中的空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合连接器的俯视图；

图6是本发明耦合装置中的空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合连接器的对称面剖面结构图；

图7是本发明耦合装置中已安装完成的空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合装置剖面结构图；

图8是本发明一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法流程示意图。

图中：

1-Y波导传统尾纤；2-熔点；3-空芯光子带隙光纤环；4-纤芯大空气孔；5-包层小空气孔；6-石英包层；7-传统光纤；8-传统光纤斜头跳线头陶瓷芯；9-渐变折射率透镜；10-光纤适配器陶瓷芯；11-空芯光子带隙光纤；12-空芯光子带隙光纤端固定螺纹；13-传统光纤端固定螺纹；14-传统光纤端定位槽；15-传统光纤跳线头陶瓷芯插槽；16-渐变折射率透镜安装槽；17-空芯光子带隙光纤适配器陶瓷芯插槽；18-光纤适配器；19-光纤适配器固定螺帽；20-传统光纤斜头跳线头固定螺帽；21-传统光纤斜头跳线头；22-空芯光子带隙光纤耦合端；23-传统光纤耦合端；24-空芯光子带隙光纤端定位槽；25-传统光纤耦合端的斜面端；26-空芯光子带隙光纤耦合端的斜面端。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步详细和深入的描述。

首先说明本发明实现的可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合装置。

作为光纤陀螺结构中的敏感组件，如图1所示，Y波导传统尾纤1在熔点2处与空芯光子带隙光纤环3的尾纤熔接，空芯光子带隙光纤环与Y波导的耦合质量直接影响着陀螺性能。与尾纤熔接方式相比，本发明实现的可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合装置可以同时保证低损、低反和高可靠性，有利于降低空芯光子带隙光纤陀螺噪声和提高精度。

如图2所示，空芯光子带隙光纤的端面结构包括纤芯大空气孔4、包层小空气孔5和包层石英层6。本发明中与传统光纤耦合的那一端的空芯光子带隙光纤的端面为平切。本发明通过设置耦合连接器和渐变折射率透镜9来连接Y波导传统尾纤1和空芯光子带隙光纤环3，而不需要将二者进行熔接。

如图3所示，为了降低耦合点处背向反射光，本发明采用斜面耦合，在传统光纤7与空芯光子带隙光纤11之间插入渐变折射率透镜9。本发明实施例中，渐变折射率透镜9的左右两个端面都采用8°斜切，渐变折射率透镜9的纵切面为梯形，参与耦合的传统光纤7直接采用光纤斜头跳线，跳线头陶瓷芯8内传统光纤7的斜8°端面与渐变折射率透镜9的斜8°面平行对接。空芯光子带隙光纤11夹持在光纤适配器陶瓷芯10内，与渐变折射率透镜9的另外一个斜8°面以最佳耦合角度θ和最佳耦合间距Δ来对接。光在渐变折射率透镜9的第二斜面处发生折射，综合考虑光的折射和发散问题，通过仿真和实验确定获得最大耦合效率对应的最佳耦合角度θ和最佳耦合间距Δ，确定过程在下面步骤1中说明。

如图4、图5和图6所示，本发明设计的空芯光子带隙光纤与传统光纤的耦合连接器包括空芯光子带隙光纤耦合端22和传统光纤耦合端23两部分，传统光纤耦合端23主要包括传统光纤端固定螺纹13、传统光纤端定位槽14、传统光纤跳线头陶瓷芯插槽15和渐变折射率透镜安装槽16，空芯光子带隙光纤耦合端22主要包括空芯光子带隙光纤端固定螺纹12、空芯光子带隙光纤端定位槽24和空芯光子带隙光纤适配器陶瓷芯插槽17。空芯光子带隙光纤耦合端22和传统光纤耦合端23两部分都加工好后，将两耦合端的斜面粘合，粘合固定后两耦合端22和23的轴线夹角为确定的最佳耦合角度θ。传统光纤7和空芯光子带隙光纤11耦合时分别通过耦合连接器的螺纹13、12固定，可根据具体情况将传统光纤7和空芯光子带隙光纤11从耦合连接器中拔出或插入，是一种可插拔的耦合装置。

如图7所示，本发明耦合装置中，当传统光纤跳线头陶瓷芯8沿耦合连接器上定位槽14插入插槽15时，传统光纤7的端面正好与耦合连接器内安装的渐变折射率透镜9的端面平行，有效降低该耦合面的背向反射和耦合损耗。

本发明的可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法，如图8所示，下面分为3个步骤来说明。

步骤1、确定耦合方法中空芯光子带隙光纤的最佳耦合角度。

光在光纤中传输时，空芯光子带隙光纤11与传统光纤7的模场存在差异，耦合时模场失配产生损耗。为了降低模场失配损耗，本发明耦合方法中在空芯光子带隙光纤11与传统光纤7之间插入渐变折射率透镜9，作用为模场变换，实现空芯光子带隙光纤11与传统光纤7模场匹配，耦合方法方案原理如图3所示。增加渐变折射率透镜9后，耦合面增加为两个，两个耦合面都会产生损耗和背向反射。为了降低背向反射，本发明中耦合端面采用8°斜切，第一个耦合面处，传统光纤7和渐变折射率透镜9为8°斜切对接耦合，两者折射率相差较小，当在耦合面处加折射率匹配液时，此端面的背向反射和损耗极小。光纤端面斜切特定角度需进行研磨操作，研磨过程复杂，且在一般实验条件下无法进行。因此为了便于工程运用，本发明中传统光纤直接采用传统斜8°跳线，如图3中斜头跳线陶瓷芯8。第二个耦合面处，渐变折射率透镜9同样采用8°端面斜切减小背向反射，但空芯光子带隙光纤11的端面为多孔结构，研磨时容易遭到破坏，影响导光性能，而且难以研磨到确定角度，因此，耦合方法中空芯光子带隙光纤11的端面采用平切，无需研磨，减小耦合难度。

第二个耦合面处折射率发生突变，渐变折射率透镜9端面8°斜切，光在端面处入射角i大于0，发生折射。为了降低耦合损耗，应使折射光沿空芯光子带隙光纤11的纤芯大空气孔4的中轴线入射，因此需要确定空芯光子带隙光纤11的最佳耦合角度θ。根据折射定律可计算出光束折射角，但光束在折射点处存在发散角，折射光在耦合间距Δ内发散，模场变大，造成部分能量损失，且耦合角θ越大，间距Δ越大，光束发散越严重，因此最佳耦合角度θ应略小于折射定律计算的光束折射角。为了确定最佳耦合角度θ，利用仿真软件建立如图3所示的空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合模型，仿真不同耦合角度θ下的耦合效率，并做实物对照实验，最终综合仿真和实验结果，确定耦合方法中空芯光子带隙光纤11的最佳耦合角度θ。

步骤2、设计可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合连接器。

本发明耦合方法中传统光纤采用斜8°传统光纤跳线，空芯光子带隙光纤与之耦合时插入光纤适配器内固定。根据确定的空芯光子带隙光纤11的最佳耦合角度θ和渐变折射率透镜9的参数设计了可插拔式空芯光子带隙光纤11与传统光纤7耦合连接器，如图4所示，耦合连接器的俯视图如图5所示，沿图5所示对称面A-A作耦合连接器剖面图，如图6所示。传统光纤端定位槽14和空芯光子带隙光纤端定位槽24的开槽方向垂直于耦合连接器对称面A-A。

传统光纤耦合端23和空芯光子带隙光纤耦合端22的外形都为圆柱体，圆柱体靠近螺纹13或12的端面为平切面，圆柱体的另一端面为斜面25和26，如图6所示，斜面角度都为θ/2。空芯光子带隙光纤耦合端22的外形圆柱体与适配器陶瓷芯插槽17共轴线。传统光纤耦合端23的外形圆柱体、传统光纤跳线头陶瓷芯插槽15和渐变折射率透镜安装槽16三者共轴线。两耦合端22、23通过斜面粘合前，先将渐变折射率透镜9由传统光纤耦合端23的斜面25插入，插入的同时调节渐变折射率透镜9的端面斜切方向垂直于连接器对称面，如图5所示，完全插入后将渐变折射率透镜9固定在安装槽16内。空芯光子带隙光纤耦合端22的斜面26和传统光纤耦合端23的斜面25粘合连接后，传统光纤跳线头陶瓷芯插槽15和渐变折射率透镜安装槽16的中轴线与空芯光子带隙光纤适配器陶瓷芯插槽17的轴线夹角为已确定的最佳耦角度θ，使得耦合安装时空芯光子带隙光纤正好以最佳耦合角度θ与传统光纤耦合。

步骤3、空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合，得到一种低损、低反的可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合装置。

本发明中用于耦合的传统光纤采用光纤斜头跳线，耦合安装时，如图7所示，首先将传统光纤跳线头陶瓷芯8涂上折射率匹配液后插入插槽15，并将传统光纤跳线头固定螺帽20固定在螺纹13上，陶瓷芯插入时跳线头21上的定位柱对准定位槽14，保证传统光纤7的斜切端面与渐变折射率透镜9的端面平行。然后将空芯光子带隙光纤11剥除一定长度涂覆层插入光纤适配器18内，并将光纤适配器陶瓷芯10沿插槽17插入耦合连接器，将光纤适配器螺帽19固定在螺纹12上，根据具体情况可通过螺帽拆卸或固定耦合装置，最终实现低损、低反的可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤的耦合。

本发明提出了一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法及装置，具有低损耗、低背向反射、高可靠等优势，为空芯光子带隙光纤在光纤陀螺等领域的运用奠定基础。

Claims (7)

1.一种可插拔式空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合装置，其特征在于，包括：传统光纤、空芯光子带隙光纤、渐变折射率透镜和耦合连接器；其中，传统光纤的连接端为斜切，空芯光子带隙光纤的连接端为平切；

所述的渐变折射率透镜的左右端面都是斜切，斜切角度与传统光纤的斜切角度相同，渐变折射率透镜的纵切面为梯形；

所述的耦合连接器上设置有渐变折射率透镜安装槽、传统光纤耦合端的插槽以及空芯光子带隙光纤适配器的插槽；所述的渐变折射率透镜安装在所述的渐变折射率透镜安装槽中；所述的传统光纤耦合端的插槽与空芯光子带隙光纤适配器的插槽分别设置在渐变折射率透镜安装槽的两侧；

所述的参与耦合的空芯光子带隙光纤端夹持于光纤适配器内，插入所述的空芯光子带隙光纤适配器的插槽中并通过螺纹与耦合连接器固定；所述的参与耦合的传统光纤端为光纤跳线头，插入所述的传统光纤耦合端的插槽中并通过螺纹与耦合连接器固定；在固定连接后，传统光纤的斜切端面与渐变折射率透镜的左端面平行对接，空芯光子带隙光纤以最佳耦合角度和最佳耦合间距与渐变折射率透镜的右端面对接；所述的传统光纤与空芯光子带隙光纤的轴线夹角为最佳耦合角度；利用仿真软件计算不同耦合角度θ和不同耦合间距Δ下空芯光子带隙光纤通过渐变折射率透镜与传统光纤的耦合效率，选取其中最大耦合效率对应的最佳耦合角度和最佳耦合间距。

2.根据权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述的传统光纤的耦合端面为斜8°面，渐变折射率透镜的左右两个端面为斜8°面。

3.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于，所述的耦合连接器分为两部分，分别是传统光纤耦合端和空芯光子带隙光纤耦合端，传统光纤耦合端包括传统光纤跳线头陶瓷芯插槽、定位槽A、渐变折射率透镜安装槽以及固定螺纹A，空芯光子带隙光纤耦合端包括空芯光子带隙光纤适配器陶瓷芯插槽、定位槽B以及固定螺纹B；耦合连接器的传统光纤耦合端和空芯光子带隙光纤耦合端粘合固定，并且两耦合端的轴线夹角为最佳耦合角度。

4.根据权利要求3所述的耦合装置，其特征在于，所述的参与耦合的传统光纤端为斜头跳线头，斜头跳线头陶瓷芯沿定位槽A插入传统光纤跳线头陶瓷芯插槽中，并通过固定螺纹A将传统光纤与耦合连接器固定；所述的空芯光子带隙光纤夹持在光纤适配器陶瓷芯内，光纤适配器陶瓷芯沿定位槽B插入空芯光子带隙光纤适配器陶瓷芯插槽中，并通过固定螺纹B将空芯光子带隙光纤与耦合连接器固定。

5.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于，所述的参与耦合的传统光纤端和空芯光子带隙光纤端，通过松开与耦合连接器固定的螺纹，可从耦合连接器内拔出。

6.一种基于权利要求1所述的耦合装置的空芯光子带隙光纤与传统光纤耦合方法，其特征在于，包括：

步骤1，确定最佳耦合角度和最佳耦合间距；

在空芯光子带隙光纤与传统光纤之间插入渐变折射率透镜，进行模场变换；利用仿真软件建立耦合模型，包括：传统光纤与渐变折射率透镜的第一个耦合面平行对接；空芯光子带隙光纤的端面为平切，空芯光子带隙光纤以耦合间距Δ和耦合角度θ，与渐变折射率透镜的第二个耦合面对接；光通过传统光纤入射进渐变折射率透镜，在渐变折射率透镜的第二个耦合面处发生折射，根据折射定律计算出光束折射角，光束在折射点处存在发散角，折射光在耦合间距Δ内发散；

利用仿真软件计算不同耦合角度θ和耦合间距Δ下空芯光子带隙光纤通过渐变折射率透镜与传统光纤的耦合效率，选取其中最大耦合效率对应的最佳耦合角度和最佳耦合间距；

步骤2，设计空芯光子带隙光纤与传统光纤的耦合连接器，使得空芯光子带隙光纤以最佳耦合角度和最佳耦合间距与渐变折射率透镜进行耦合；

所述的耦合连接器包括两部分，分别是传统光纤耦合端和空芯光子带隙光纤耦合端；在将渐变折射率透镜安装在传统光纤耦合端后，将传统光纤耦合端与空芯光子带隙光纤耦合端粘合固定，两个粘合固定的端面为斜面，斜面角度为最佳耦合角度的一半；在粘合固定后，传统光纤耦合端和空芯光子带隙光纤耦合端的轴线夹角为最佳耦合角度；

步骤3，将空芯光子带隙光纤与传统光纤通过耦合连接器连接，实现耦合；

将传统光纤的斜头跳线插入耦合连接器，并用螺纹连接固定，将空芯光子带隙光纤的光纤适配器插入耦合连接器，并用螺纹连接固定。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤1中，传统光纤采用斜8°光纤跳线，渐变折射率透镜的两个耦合面均为斜8°面。

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