CN113835242A - 起偏器、起偏器制备方法及光纤陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种起偏器、起偏器制备方法及光纤陀螺仪，本发明涉及集成光电子领域。其中起偏器包括：波导层和金属吸收层，波导层包括多模直波导区、曲率渐变波导区和盘绕型波导区，曲率渐变波导区的首端与多模直波导区的末端连接，曲率渐变波导区的末端与盘绕型波导区的首端连接，金属吸收层与盘绕型波导区相对，金属吸收层与盘绕型波导区之间设置有隔离层。本发明提供的起偏器，通过将波导层分为连续的多模直波导区、曲率渐变波导区和盘绕型波导区，增强对TE偏振态的光场束缚能力，减小TE偏振态的传输损耗，经过盘绕型波导区的长距离盘绕结构后，TM偏振光会被经过隔离层隔开的金属吸收层的金属吸收，从而实现在宽光谱范围内得到高消光比的起偏器。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种起偏器、起偏器制备方法及光纤陀螺仪。
背景技术
光纤陀螺仪是一种重要的高精度光学惯性测量仪器，在国家经济建设和国防装备系统中处于极其重要的位置。其中，光纤陀螺仪所需要的光源为超辐射发光二极管，可以自发辐射出宽光谱光源，其高斯分布的光谱分布可以使得中心波长更加容易被探测，同时可以抑制瑞利散射。然而超辐射发光二极管输出的光源无法保证单一偏振态，而对于光纤陀螺仪而言，两个偏振态的折射率不同，会造成光程差，光强探测时额外的偏振态的干涉光引入额外的噪声，劣化探测精度。因此高消光比低插入损耗的宽光谱起偏器成为了光纤陀螺仪中不可缺少的器件。
因此如何在宽光谱范围内得到高消光比的起偏器，并且减小TE 偏振态的损耗是目前所要研究的方向。
发明内容
本发明提供一种起偏器、起偏器制备方法及光纤陀螺仪，用以解决现有技术中无法在宽光谱范围内得到高消光比的起偏器，并且减小 TE偏振态的损耗的缺陷，实现盘绕型波导区正对金属吸收层，并在两者之间设置可控厚度的隔离层，在宽光谱范围内得到高消光比的起偏器，且减小TE偏振态的损耗。
本发明第一方面提供一种起偏器，包括：波导层和金属吸收层，所述波导层包括多模直波导区、曲率渐变波导区和盘绕型波导区，所述曲率渐变波导区的首端与所述多模直波导区的末端连接，所述曲率渐变波导区的末端与所述盘绕型波导区的首端连接，
其中，所述金属吸收层与所述盘绕型波导区相对，所述金属吸收层与所述盘绕型波导区之间设置有隔离层。
根据本发明提供的起偏器，所述金属吸收层和所述波导层刻在芯片上，所述芯片包括衬底、所述衬底上层的埋氧层以及包层，所述金属吸收层、所述隔离层和所述波导层置于所述埋氧层和所述包层之间。
根据本发明提供的起偏器，所述隔离层、所述衬底、所述埋氧层和所述包层均采用二氧化硅材料。
根据本发明提供的起偏器，所述波导层宽度为2微米，所述隔离层厚度为0.7微米。
根据本发明提供的起偏器，所述金属吸收层的厚度大于50nm小于等于100nm。
本发明第二方面提供了一种起偏器的制备方法，步骤包括：
确定波导层宽度：得到进入的光源的TE偏振态光和TM偏振态光沿y轴方向的倏逝场衰减系数，根据所述波导层宽度和所述波导层厚度与所述倏逝场衰减系数的关系确认所述波导层宽度；
确定金属吸收层位置：以所述波导层上表面轴对称处为坐标原点，沿倏逝场方向，在TE偏振态倏逝场振幅比位于坐标原点的振幅低10 倍以上和TM偏振态的倏逝场比位于坐标原点的振幅低于10倍之间的位置作为所述金属吸收层位置，进而确定隔离层厚度；
确定金属吸收层厚度：得到光源在所述金属吸收层的衰减系数，根据所述金属吸收层的衰减系数确定趋肤深度，进而确定所述金属吸收层厚度；
确定盘绕型波导区长度：得到所述盘绕型波导区的衰减系数，根据消光比确定所述盘绕型波导区的长度。
根据本发明提供的起偏器的制备方法，还包括步骤：
确定曲率渐变波导区曲率和弧长：根据多模直波导区的末端和盘绕型波导区的始端参数，以及欧拉曲线或曲率二次变化曲线，确定曲率渐变波导区曲率和弧长。
根据本发明提供的起偏器的制备方法，所述确定波导层宽度的导行电磁波本征麦克斯韦方程的本征解为：
其中，z为z轴对应光的传播方向的坐标，x为x轴对应波导层宽度方向的坐标，y为y轴对应波导层高度方向的坐标，t代表时间变化，ΦTE(x,y,z，t)、ΦTM(x，y，z，t)为方程组两个本征解，代表波导层支持TE、TM两种偏振态，A0TE、A0TE代表归一化振幅，βTE、βTM代表 TE、TM偏振态的传播常数，在有损传播时为复数，fTE(x，y)、fTM(x，y)代表TE、TM偏振态横截面的归一化模场分布，ωTE、ωTM代表TE、TM 偏振态的角频率。
根据本发明提供的起偏器的制备方法，所述确定盘绕型波导区长度的步骤，包括：
确定TE偏振态光和TM偏振态光的传播常数βTE和βTM；
将传播常数βTE和βTM转换成有效折射率，确认有效折射率虚部；
确定盘绕型波导区的衰减系数；
基于消光比确认盘绕型波导区的长度。
本发明第三方面提供了一种光纤陀螺仪，端面锥形耦合波导和上述第一发明的起偏器，所述端面锥形耦合波导设置在所述起偏器的进光端和出光端。
本发明提供的起偏器，通过将波导层分为连续的多模直波导区、曲率渐变波导区和盘绕型波导区，增强对TE偏振态的光场束缚能力，减小TE偏振态的传输损耗，经过盘绕型波导区的长距离盘绕结构后， TM偏振光会被经过隔离层隔开的金属吸收层的金属吸收，从而实现在宽光谱范围内得到高消光比的起偏器。
进一步地，在本发明提供的起偏器的制备方法和光纤陀螺仪中，由于具备如上所述的起偏器，因此同样具备如上所述的各种优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的起偏器的局部截面示意图；
图2是本发明提供的起偏器的波导层示意图；
图3是本发明提供的光纤陀螺仪的结构示意图；
图4是本发明提供的起偏器的制备方法的流程示意图之一；
图5是本发明提供的起偏器工作原理图；
图6是本发明提供的起偏器的制备方法的流程示意图之二；
图7是本发明提供的起偏器的波长和消光比仿真结果图。
附图标记：
100：波导层； 200：金属吸收层；
300：隔离层； 400：起偏器；
101：多模直波导区； 102：曲率渐变波导区；
103：盘绕型波导区； 110：端面锥形耦合波导；
301：衬底； 302：埋氧层；
303：包层； 401：超辐射发光二极管；
402：环形器； 403：耦合器；
404：萨格纳克环。
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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1至图7，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成限定。
如图1和2所示，本发明提供了一种起偏器400，包括：波导层 100和金属吸收层200，波导层100包括多模直波导区101、曲率渐变波导区102和盘绕型波导区103，曲率渐变波导区102的首端与多模直波导区101的末端连接，曲率渐变波导区102的末端与盘绕型波导区103的首端连接，其中，金属吸收层200与盘绕型波导区103相对，金属吸收层200与盘绕型波导区103之间设置有隔离层300。
具体地，光源首先进入多模直波导区101，根据光波导理论，多模直波导区101可以增强对TE偏振态的光场束缚能力，减小TE偏振态的传输损耗；然后进入曲率渐变波导区102进行绝热演化，将直波导模式转变成弯曲波导模式而不产生多模串扰；进而使光无损耦合进入盘绕型波导区103。
其中，盘绕型波导区103的盘面上方间隔一定间距设置有金属吸收层200，其中间隔即为隔离层300，经过盘绕型波导区103的长距离盘绕结构后，TM偏振光会被金属吸收层200的金属吸收，而TE 偏振态则不会激发出表面等离子体效应，能量全部被保留；TM偏振光倏逝场会与金属吸收层200发生相互作用，激发出表面等离子体激元效应，吸收TM偏振光的能量，从而实现高消光比。
此外，隔离层300的厚度需要达到金属吸收层200与TM偏振态的倏逝场有着轻微作用即可，从而避免由于光场突变产生不需要的反射。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，金属吸收层200和波导层100刻在芯片上，芯片包括衬底301、衬底301上层的埋氧层302 以及包层303，金属吸收层200、隔离层300和波导层100置于埋氧层302和包层303之间。能够实现低成本大规模量产，能满足光纤陀螺仪的指标要求，同时可以在制备过程中通过调整金属吸收层200与波导层100距离即隔离层300厚度来获得不同的消光比，满足不同指标要求。
换句话说，金属吸收层200和波导层100采用微米级光刻线程实现了起偏器400的芯片制作。该起偏器芯片从下至上为衬底301、埋氧层302、波导层100、隔离层300、金属吸收层200和包层303。其中，TE偏振态的电场方向平行于衬底301，TM偏振态的电场方向垂直于衬底301方向。
此外，在本发明的另一个实施例中，隔离层300、衬底301、埋氧层302和包层303均采用二氧化硅材料。
进一步地，在本发明的可选实施例中，波导层100宽度为2微米，隔离层300厚度为0.7微米。在此参数下，TE偏振态可以实现低损传输，而TM偏振态则会与金属吸收层200的金顺产生表面等离子体激元效应，经过金属吸收层200后被抑制，得到高消光比的起偏器。
在本发明的其它实施例中，金属吸收层的厚度大于50nm小于等于100nm。
如图2所示，本发明还提供了一种光纤陀螺仪，包括端面锥形耦合波导110和上述的起偏器400，端面锥形耦合波导110设置在起偏器400的进光端和出光端。超辐射发光光源处产生的多偏振态光通过端面锥形耦合波导110低损地耦合进入起偏器400中。
如图3所示，此外，在本发明的一个可选实施例中，光纤陀螺仪还可以包括顺次连接的超辐射发光二极管401、环形器402、上述起偏器400、耦合器403以及萨格纳克环404。超辐射发光二极管401 产生的光源经过环形器402后，进入到起偏器400中，将其中不需要的TM偏振光滤除掉，因此进入到萨格纳克环404中的光只有TE偏振态，提高了光纤陀螺仪测试的精度。
如图4所示，一种上述起偏器400的制备方法，包括以下步骤：
S1：确定波导层100宽度：得到进入的光源的TE偏振态光和TM 偏振态光沿y轴方向的倏逝场衰减系数，根据波导层100宽度和波导层100厚度与倏逝场衰减系数的关系确认波导层100宽度。
如图5所示，波导层100的宽度越宽，对TE偏振态的束缚能力越强，在进入金属吸收层200时吸收损耗越小。TE偏振态的电场与金属吸收层200接触微弱，而TM偏振态的倏逝场与金属吸收层200 有着更多的接触，会激发出更加强烈的表面等离子体效应。
换言之，由于TE偏振态的电场方向平行于衬底301，因此对于折射率阶跃型波导，宽度越宽的波导层100对TE偏振态的光场束缚能力越强，TE偏振态泄露在波导层100外侧的倏逝场越少，越不容易受到波导层100以外的结构影响。而波导层100的厚度则是一个已知的定值，远小于波导层100宽度。
在本发明的另一个可选实施例中，采用导行电磁波本征麦克斯韦方程的本征解来确定波导层100宽度。以下为导行电磁波本征麦克斯韦方程的本征解：
其中，z为z轴对应光的传播方向的坐标，x为x轴对应波导层 100宽度方向的坐标，y为y轴对应波导层100高度方向的坐标，t 代表时间变化，ΦTE(x,y,z,t)、ΦTM(x,y,z,t)为方程组两个本征解，代表波导层100支持TE、TM两种偏振态，A0TE、A0TE代表归一化振幅，βTE、βTM代表TE、TM偏振态的传播常数，在有损传播时为复数，fTE(x,y)、 fTM(x,y)代表TE、TM偏振态横截面的归一化模场分布，ωTE、ωTM代表TE、TM偏振态的角频率。
具体地，在本发明的一些实施例中，倏逝场分布为波导层100外围的倏逝场分布，因此可以基于公式(1)得到波导层100外侧的倏逝场分布关系式，如下：
其中，
代表波导层100外侧的倏逝场分布，并以波导层 100上表面轴对称处为坐标原点，A1TE、A1TM代表倏逝场的归一化振幅。倏逝场在波导层100外侧沿y轴呈指数衰减，衰减系数为
沿x轴呈指数衰减，衰减系数为
并且，通过现代电磁数值计算方法求解公式(2)，可以得到TE、 TM两种偏振态沿y轴方向的倏逝场衰减系数
倏逝场衰减系数
同时受到波导层100宽度w和波导层100厚度H影响，w越大，
越大，而
则变化不明显。而波导层100的厚度H则是一个已知的定值，远小于波导宽度w。因此可以在实际生产过程中确定波导层100宽度 w。
S2：确定金属吸收层200位置：以波导层100上表面轴对称处为坐标原点，沿倏逝场方向，在TE偏振态倏逝场振幅比位于坐标原点的振幅低10倍以上和TM偏振态的倏逝场比位于坐标原点的振幅低于10倍之间的位置作为金属吸收层200位置，进而确定隔离层300 厚度。
换句话说，金属吸收层200的位置是在TE偏振态倏逝场振幅比位于坐标原点的振幅低10倍以上和TM偏振态的倏逝场比位于坐标原点的振幅低于10倍之间的任一位置。其中，金属吸收层200与波导层100平行。
此外，在本发明的一个可选实施例中，为了实现TE偏振态低损通过，因此TE偏振态的倏逝场振幅传播到金属层时至少比原点低102倍，通过计算得到当波导层100宽度为2微米，TE偏振态的倏逝场在波导层100上侧0.7微米处电场振幅小于原点的102倍，TE偏振态可以实现低损传输，而TM偏振态则会与金属吸收层200产生表面等离子体激元效应，经过金属吸收层200后被抑制。
S3：确定金属吸收层200厚度：得到光源在金属吸收层200的衰减系数，根据金属吸收层200的衰减系数确定趋肤深度，进而确定金属吸收层200厚度。
在本发明的一个实施例中，选择铜作为激发表面等离子体激元效应的金属，即金属吸收层200的金属材料选择铜，铜可以与CMOS 工艺兼容。并且，在本实施例中，金属吸收层200的衰减系数通过以下公式确定：
αm代表光在金属吸收层200的衰减系数，k为光波的传播常数，θi为光入射金属吸收层200的角度，在本实施例中选择90°，εr为金属材料的相对介电常数，σ为金属材料的电导率，ε0为真空中介电常数，ω为角频率。
其中，趋肤深度为出波的强度衰减至1/e及以下时的深度。金属吸收层200厚度超过趋肤深度时，才能保证金属吸收层200有足够的消光能力。经过计算，在本发明的一个可选实施例中，金属吸收层 200的厚度应在50nm以上时，又由剥离工艺的限制，金属吸收层200 厚度不应超过100nm。
S4：确定盘绕型波导区103长度：得到盘绕型波导区103的衰减系数，根据消光比确定盘绕型波导区103的长度。
如图6所示，在本发明的另一个可选实施例中，确定盘绕型波导区103长度的步骤，包括：
S11：确定TE偏振态光和TM偏振态光的传播常数βTE和βTM；具体地，于公式(1)至公式(3)得出TE、TM偏振态的传播常数βTE与βTM，由于金属吸收层200的存在，此值为复数。
S12：将传播常数βTE和βTM转换成有效折射率，确认有效折射率虚部。
在本实施例中，转化后的有效折射率公式为：
其中，
代表着TE、TM偏振态的有效折射率，nTE和nTM代表有效折射率的实部，
和
代表有效折射率的虚部，λ0代表波长。进一步地，当
和
不为0时，意味着光在本发明的起偏器中传输时会产生损耗，从传播常数中提取出虚部
和
S13：确定盘绕型波导区103的衰减系数；在本发明的一个可选实施例中，采用以下公式计算盘绕型波导区103的衰减系数：
可计算出单位距离下TE偏振态和TM偏振态的损耗。
S14：基于消光比确认盘绕型波导区103的长度。并利用阿基米德螺旋线将进行盘绕型波导区103盘绕，即可获得最终的盘绕型波导区103长度。
另外本发明的一个实施例中，起偏器400的制备方法还包括步骤：
确定曲率渐变波导区102曲率和弧长：根据多模直波导区101的末端和盘绕型波导区103的始端参数，以及欧拉曲线或曲率二次变化曲线，确定曲率渐变波导区102曲率和弧长。
其中，在本发明的可选实施例中，多模直波导区101的切线角度为0度，曲率为0度。
其中，曲率渐变波导的首端连接直波导的末端，因此曲率渐变波导的首端切线角度为0°，曲率也为0。曲率渐变波导通过曲率随弧长一次变化曲线(即欧拉曲线)或二次变化曲线，连接至盘绕型波导区103，并保证曲率渐变波导的末端的切线角度、曲率与盘绕型波导区103的首端相同，实现模式匹配。
如图7所示，采用本发明实施例的起偏器400的制备方法获得在 820nm-880nm光谱范围内的起偏器400的插入损耗和消光比，实现了在60nm光谱范围内的高达30dB的消光比，而器件插入损耗在0.5dB 以下，证明了本发明的起偏器400能拥有良好的消光效果。
本发明提供的起偏器400，通过将波导层100分为连续的多模直波导区101、曲率渐变波导区102和盘绕型波导区103，增强对TE 偏振态的光场束缚能力，减小TE偏振态的传输损耗，经过盘绕型波导区103的长距离盘绕结构后，TM偏振光会被经过隔离层300隔开的金属吸收层200的金属吸收，从而实现在宽光谱范围内得到高消光比的起偏器。
进一步地，在本发明提供的起偏器的制备方法和光纤陀螺仪中，由于具备如上所述的起偏器，因此同样具备如上所述的各种优势。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种起偏器，其特征在于，包括：波导层和金属吸收层，所述波导层包括多模直波导区、曲率渐变波导区和盘绕型波导区，所述曲率渐变波导区的首端与所述多模直波导区的末端连接，所述曲率渐变波导区的末端与所述盘绕型波导区的首端连接，
其中，所述金属吸收层与所述盘绕型波导区相对，所述金属吸收层与所述盘绕型波导区之间设置有隔离层。
2.根据权利要求1所述的起偏器，其特征在于，所述金属吸收层和所述波导层刻在芯片上，所述芯片包括衬底、所述衬底上层的埋氧层以及包层，所述金属吸收层、所述隔离层和所述波导层置于所述埋氧层和所述包层之间。
3.根据权利要求2所述的起偏器，其特征在于，所述隔离层、所述衬底、所述埋氧层和所述包层均采用二氧化硅材料。
4.根据权利要求1所述的起偏器，其特征在于，所述波导层宽度为2微米，所述隔离层厚度为0.7微米。
5.根据权利要求1所述的起偏器，其特征在于，所述金属吸收层的厚度大于50nm小于等于100nm。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的起偏器的制备方法，其特征在于，步骤包括：
确定波导层宽度：得到进入的光源的TE偏振态光和TM偏振态光沿y轴方向的倏逝场衰减系数，根据所述波导层宽度和所述波导层厚度与所述倏逝场衰减系数的关系确认所述波导层宽度；
确定金属吸收层位置：以所述波导层上表面轴对称处为坐标原点，沿倏逝场方向，在TE偏振态倏逝场振幅比位于坐标原点的振幅低10倍以上和TM偏振态的倏逝场比位于坐标原点的振幅低于10倍之间的位置作为所述金属吸收层位置，进而确定隔离层厚度；
确定金属吸收层厚度：得到光源在所述金属吸收层的衰减系数，根据所述金属吸收层的衰减系数确定趋肤深度，进而确定所述金属吸收层厚度；
确定盘绕型波导区长度：得到所述盘绕型波导区的衰减系数，根据消光比确定所述盘绕型波导区的长度。
7.根据权利要求6所述的起偏器的制备方法，其特征在于，还包括步骤：
确定曲率渐变波导区曲率和弧长：根据多模直波导区的末端和盘绕型波导区的始端参数，以及欧拉曲线或曲率二次变化曲线，确定曲率渐变波导区曲率和弧长。
8.根据权利要求6所述的起偏器的制备方法，其特征在于，所述确定波导层宽度的导行电磁波本征麦克斯韦方程的本征解为：
其中，z为z轴对应光的传播方向的坐标，x为x轴对应波导层宽度方向的坐标，y为y轴对应波导层高度方向的坐标，t代表时间变化，ΦTE(x,y,z,t)、ΦTM(x,y,z,t)为方程组两个本征解，代表波导层支持TE、TM两种偏振态，A0TE、A0TE代表归一化振幅，βTE、βTM代表TE、TM偏振态的传播常数，在有损传播时为复数，fTE(x，y)、fTM(x，y)代表TE、TM偏振态横截面的归一化模场分布，ωTE、ωTM代表TE、TM偏振态的角频率。
9.根据权利要求8所述的起偏器的制备方法，其特征在于，所述确定盘绕型波导区长度的步骤，包括：
确定TE偏振态光和TM偏振态光的传播常数βTE和βTM；
将传播常数βTE和βTM转换成有效折射率，确认有效折射率虚部；
确定盘绕型波导区的衰减系数；
基于消光比确认盘绕型波导区的长度。
10.一种光纤陀螺仪，其特征在于，包括端面锥形耦合波导和权利要求1至5中任一项所述的起偏器，所述端面锥形耦合波导设置在所述起偏器的进光端和出光端。
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