CN114285473B - 一种双向光放大装置、系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向光放大装置、系统与方法,属于光纤通信领域;所述的装置包含对称的环形器A和环形器B,分别连接前后向端口,两个环形器共同连接合束器、后接单向光放大器以及单向密集波分复用模块。前后向端口分别输入各自的光,从反向端口分别输出,实现了单根光纤中双向传输光信号的放大。系统包括通过光纤链路相连的近端和远端,光纤链路上依次串连若干装置;近端制备光信号输入光纤链路中前向传输,远端探测电信号实时监测其峰峰值;同理,远端亦然;所述的方法中,判断电信号峰峰值是否低于设定的阈值下限,如果是,则增大单向光放大器的放大增益;否则,调低放大增益;本发明器件少,数量低,结构的对称性更优,同时性能更加稳定。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信领域,具体涉及一种双向光放大装置、系统与方法。
背景技术
光纤放大器的主要功能是提供光信号增益,以补偿光信号在链路当中的传输衰减,增加系统的传输距离。目前光纤放大器主要以单向光纤放大器为主,信号光与波长较短的泵浦光共同沿光纤传输,泵浦光的能量被掺稀土元素光纤中的稀土元素离子吸收,而使其跃迁至更高能级,并通过能级间的受激发射转移为信号光的能量。信号光沿掺杂光纤传输过程中功率不断放大,泵浦光沿掺杂光纤传输过程中不断衰减。然而,由于光隔离器的存在,信号光只能单向通过光放大器,对于反向通过放大器的信号光无法起到放大作用。
在高精度光纤时间频率同步等领域,使用单根光纤信道进行信号的双向传输是一种常见需求,为了提高传输距离,需要在光纤链路中部署双向光纤放大器,并且要求双向光纤放大器的不对称性尽可能低,以减少其对光纤链路对称性的影响。为了降低双向光纤放大器自身的不对称性,通常在结构设计过程中使其光路尽可能对称,同时减少光器件的使用以避免过多引入不对称性。
为了解决单根光纤中双向传输光信号的放大问题,至今已有多种方案被相继提出。例如,文献1:公开号为CN102783056A,由阿尔卡特朗讯公司提出的基于两个单向光放大器和环形器的双向光放大器;该方案将两个单向光放大器部署于上下两路并通过两个环形器将其连接,使其在双向光放大方案中广泛应用,但是该方案存在着上下两路光放大结构不一致的问题,其光路结构中光放大器的不一致性、光纤链路长度的不一致性、光纤链路受环境影响的不一致性等都会对放大器的不对称性造成较大影响。
为了减少上下两路不一致性的影响,文献2:公开号CN104917042A,给出了一种仅采用单根掺铒光纤的低噪声、高对称性的双向光放大器;该方案通过采用波分复用器,令其前向传输和后向传输的光信号频率不同,可以在空间上将前向传输的信号和后向传输的信号区分出来并据此调整光隔离器的方向,以实现基于单根掺铒光纤的双向光放大。但是该方案存在以下问题:(1)采用双向泵浦,虽然可以提高正反向信号光通过放大器的光程对称性,但是需要采用泵浦隔离器,而泵浦隔离器价格高,体积大且容易受到环境振动影响;(2)为了防止下段光纤瑞利反射和端面反射以及激光自激现象,该结构采用四个波分复用器以及多个隔离器,存在结构复杂,鲁棒性低,成本高,且不对称因素多等缺点;(3)双向使用单根掺铒光纤时会引入前向光放大效率和后向光放大效率不一致的问题。
此外,文献3公开号CN110601763A提出了一种基于波分复用模块、光纤光栅和环形器的双向光放大方案。该方案采用双向光波分复用模块,并将其置于单向光放大器前,通过环形器和光纤光栅将前向和后向传输的光信号区分开。该方案虽然大大减少了波分复用器的使用数量,但是其额外采用的光纤光栅由于具有温度和应变敏感的特点,温度的改变或外力的施加会使其反射波长发生变化,大大影响其稳定性,并严重影响其在高精度时间频率传递等场景下的应用。另外,由于光纤光栅反射波长数量有限,该方案无法对密集波分复用后的光信号进行双向放大。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明提供了一种双向光放大装置、系统与方法;基于单向密集波分复用模块的、高对称性的双向光放大器,包括单向密集波分复用模块、单向光放大模块、环形器和合束器,相较于现有技术方案中的已有结构,本发明所需器件更少、结构也更简单。
所述的双向光放大装置包含环形器A、环形器B、合束器、单向光放大器以及单向密集波分复用模块。
两个环形器均为三端口环形器,环形器A包括端口A-1,端口A-2和端口A-3;环形器B包括端口B-1,端口B-2和端口B-3;端口A-3和端口B-3对称连接合束器;合束器后接单向光放大器,单向光放大器后接单向密集波分复用模块;单向密集波分复用模块对称连接端口A-1和端口B-1;同时,端口A-2与前向端口相连,端口B-2与后向端口相连,前向端口和后向端口均可用于光的输入和输出。
前向端口输入波长为λ11,λ12,...,λ1n的光;由端口A-2入射后单向从端口A-3输出,对称地,后向端口输入波长为λ21,λ22,...,λ2n的光,由端口B-2入射后单向从端口B-3输出;端口A-3和端口B-3输出的两束光经合束器组束后,输出的光信号经过单向光放大器放大后输入单向密集波分复用模块。单向密集波分复用模块根据信号波长的不同,将波长为λ21,λ22,...,λ2n的信号光输入环形器A的端口A-1,单向经端口A-2从前向端口输出;同理,将波长为λ11,λ12,...,λ1n的光输入端口B-1,单向经端口B-2从后向端口输出;实现了在单根光纤中双向传输光信号的放大。
所述的双向光放大系统包括通过光纤链路相连的近端和远端,光纤链路上依次串连若干双向光放大装置;
其中近端包括光源,分束器A,调制器A,波分复用/解复用模块A,探测器A和示波器A;远端包括光源,分束器B,调制器B,波分复用/解复用模块B,探测器B和示波器B。
双向光放大系统时分复用的过程具体为:
近端的光源制备光信号并经过分束器A均分为n路,每一路均与调制器A相连接,经调制后由波分复用模块A合为一路,再输入光纤链路中前向传输;光纤链路另一端接入远端的波分解复用模块B,光纤链路中的信号光经过波分解复用模块B后被分解为n路,输入与波分解复用模块B相连的探测器B中进行探测,探测得到的电信号输入至示波器B中实时监测其峰峰值;
同理,远端的光源制备光信号并经过分束器B均分为n路,每一路均与调制器B相连接,经调制后由波分复用模块B合为一路,再输入光纤链路中后向传输;后向传输的光信号经过光纤链路后输入至近端的波分解复用模块A中,被分解为n路,输入至探测器A中进行探测,探测得到的电信号输入至示波器A中实时监测其峰峰值。
此外,远端光源制备的光信号,替换为将近端发送的光信号,通过移频手段制备;
所述的双向光放大方法,具体步骤如下:
步骤一、利用双向光放大系统中近端的激光器制备光信号,经分束器和调制器制备波长为λ11,λ12,...,λ1n的n路频率信号光后,由波分复用器合成为一路,得到前向信号光,发送到单根光纤链路中前向传输给远端;
步骤二、远端利用波分解复用器和光探测器对光信号进行探测,输出电信号到示波器,观察电信号峰峰值;
步骤三、判断电信号峰峰值是否低于设定的阈值下限,如果是,则增大双向光放大装置中单向光放大器的放大增益;否则,调低双向光放大装置中单向光放大器的放大增益;
通过控制单向光放大器中的泵浦光强度实现对单向光放大器的放大增益增大或调低。
当单级放大器增益超过30dB,仍无法使电信号峰峰值达到设定的阈值下限,则在光纤链路中串联多个双向光放大装置并调整其链路间距和放大增益,使远端探测的电信号达到阈值;
调整链路间距时,应保证串联的两台双向光放大装置之间的链路距离,能够使得前一台双向光放大装置输出信号传输到下一级时,信号光强度仍然处于下一级放大器的最优放大区间内(<30dB);
步骤四、同理,远端利用激光器制备光信号,经分束器和调制器制备波长为λ21,λ22,...,λ2n的n路时间(或频率)信号光后,由波分复用器合成为一路,得到后向信号光,经单根光纤信道后向传输至近端;
远端接收近端波长为λ11,λ12,...,λ1n的n路频率信号光,利用移频器调整其频率得到波长为λ21,λ22,...,λ2n的n路时间信号光;具体为:通过一分二的分束器将近端输入探测器前的波长为λ11,λ12,...,λ1n的n路频率信号光分为两路,其中一路输入探测器B进行探测、另外一路输入移频器移频至所需频率,再经过远端的波分复用器合束并输出至链路中;
步骤五、近端利用波分解复用器和光探测器对光信号进行探测,输出电信号到示波器得到电信号峰峰值;
步骤六、判断电信号峰峰值是否低于设定的阈值下限,如果是,则提高链路中串联的双向光放大装置的放大增益,或增加双向光放大装置的个数以增大近端探测的电信号使其达到阈值;否则,调低双向光放大装置中单向光放大器的放大增益,使其满足阈值;
本发明的优点在于:
1)、一种双向光放大装置、系统与方法,有能力对密集波分复用的双向光信号进行放大;由于双向传输的光信号均通过同一个单向光放大器进行放大,且通过同一个密集波分复用模块进行解复用,该方案的对称性能够得到良好保证;
2)、一种双向光放大装置、系统与方法,由于结构中采用单向放大器,双向放大器不会受到下段光纤瑞利反射,端面反射以及激光自激的影响,将大大增加其长期工作稳定性;
3)、一种双向光放大装置、系统与方法,相较于已有方案,其采用的器件更少,数量低,成本低,结构的对称性更优,同时性能更加稳定。该方案可用于采用密集波分复用技术的单光纤双向传输系统中,有望在光纤时间频率同步系统中发挥作用。
附图说明
图1为本发明一种双向光放大装置的结构示意图;
图2为本发明向光放大装置中单向光放大器的结构示意图;
图3为本发明前向传输光信号被双向光放大装置放大的示意图;
图4为本发明后向传输光信号被双向光放大装置放大的示意图;
图5为本发明一种双向光放大系统的示意图;
图6为本发明双向光放大系统近端与远端结构示意图;
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施例做出具体说明。
下面的实施例以举例的方式提供,以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
所述的双向光放大装置,如图1所示,包含环形器A、环形器B、合束器、单向光放大器以及单向密集波分复用模块。
两个环形器A、B均为三端口环形器,环形器A包括端口A-1,端口A-2和端口A-3;环形器B包括端口B-1,端口B-2和端口B-3;端口A-3和端口B-3对称连接合束器;合束器后接单向光放大器,单向光放大器后接单向密集波分复用模块;单向密集波分复用模块对称连接端口A-1和端口B-1;同时,端口A-2与前向端口相连,端口B-2与后向端口相连,前向端口和后向端口均可用于光的输入和输出。
对于环形器A,前向端口输入波长为λ11,λ12,...,λ1n的光;光信号由端口A-1入射后单向从端口A-2输出;由端口A-2入射后单向从端口A-3输出,对称地,后向端口输入波长为λ21,λ22,...,λ2n的光,由端口B-1入射后单向从端口B-2输出,由端口B-2入射后单向从端口B-3输出;端口A-3和端口B-3输出的两束光经合束器组束后,输出的光信号经过单向光放大器放大后输入单向密集波分复用模块。单向密集波分复用模块根据信号波长的不同,将波长为λ21,λ22,...,λ2n的信号光输入环形器A的端口A-1,单向经端口A-2从前向端口输出;同理,将波长为λ11,λ12,...,λ1n的光输入端口B-1,单向经端口B-2从后向端口输出;实现了在单根光纤中双向传输光信号的放大。
单向光放大器的实施例如图2所示,其为光纤通信领域常见的单向掺铒光放大器,由一个波分复用器、两个光隔离器、一段掺铒光纤和一个泵浦光源构成。泵浦光源的主要作用是激活掺铒光纤,令其处于粒子数反转的状态,当输入光信号经过掺铒光纤时,便能够产生明显的受激辐射效应而使其信号放大。放大器两端的光隔离器用于确保放大器内部不受反向的散射光等信号的干扰,使其稳定工作。
前向传输光信号时,光信号放大流程如图3所示,经过波分复用的波长为λ11,λ12,...,λ1n的光由前向端口输入,传输到环形器A的A-2端口后由A-3端口输出;A-3端口输出的光信号由合束器输入到单向光放大器中;光信号经单向光放大器放大后被输入到单向密集波分复用模块,单向密集波分复用模块将波长为λ11,λ12,...,λ1n的光信号输入到环形器B的B-1端口中;光信号经过环形器的B-1端口输入后输出至B-2端口;由B-2端口输出的光信号传输至后向端口,最终从后向端口输出;至此,前向传输光信号的放大操作实施完毕;
后向传输光信号时,光信号放大流程如图4所示,经过波分复用的波长为λ21,λ22,...,λ2n的光由后向端口输入,传输到环形器B的B-2端口后由B-3端口输出;B-3端口输出的光信号由合束器输入到单向光放大器中;光信号经单向光放大器放大后被输入到单向密集波分复用模块,单向密集波分复用模块将波长为λ21,λ22,...,λ2n的光信号输入到环形器A的A-1端口中;光信号经过环形器的A-1端口输入后输出至A-2端口;由A-2端口输出的光信号传输至前向端口,最终从前向端口输出;至此,后向传输光信号的放大操作实施完毕。
所述的双向光放大系统如图5所示,包括通过光纤链路相连的近端和远端,光纤链路上依次串连若干双向光放大装置;
如图6所示,近端包括光源,分束器A,示波器A,若干探测器A和调制器A,波分复用/解复用模块A;远端包括光源,示波器B,波分复用/解复用模块B,若干调制器B,探测器B和分束器B。
双向光放大系统时分复用的过程具体为:
近端的光源制备光信号并经过分束器A均分为n路,每一路均与调制器A相连接,经调制后得到波长为λ11,λ12,...,λ1n的n路时间(或频率)信号光,由波分复用模块A合为一路,即得到前向信号光,此后发送到环形器的端口A-1,并由其端口A-2输出至具有双向光放大装置的单根光纤链路中,前向传输给远端;
光纤链路另一端接入远端的波分解复用模块B,近端发出的光信号由远端环形器B的端口B-2输入并由端口B-3输出至远端的波分解复用模块B,信号光经过波分解复用模块B后被分解为n路,此后输入至远端与波分解复用模块B相连的探测器B中进行探测,探测得到的电信号输入至远端的示波器B中实时监测其峰峰值;
若链路长度、温度、应力等条件的改变使得远端探测得到的电信号峰峰值低于一定阈值,通过则增大双向光放大装置中单向光放大器的放大增益,或在光纤链路中依次串联多个双向光放大装置并调整其链路间距和放大增益,用以补偿信号光在链路中的衰减;
同理,远端利用光源制备光信号并经过分束器B均分为n路,每一路与调制器B相连接,经调制后得到波长为λ21,λ22,...,λ2n的n路时间(或频率)信号光,由波分复用模块B合为一路,即得到后向信号光;此后将后向信号光发送到环形器的端口B-1,并由其端口B-2输出至具有双向光放大装置的单根光纤链路中,后向传输给近端;
此外,远端也可以利用近端发送给其的光信号,通过移频等手段制备所需光信号并输入光纤链路中后向传输;
后向传输的光信号经过串联了多个双向光放大装置的光纤链路后,由近端环形器的端口A-2输入并由端口A-3输出至近端的波分解复用模块A中,信号光经过波分解复用模块A后被分解为n路,此后输入至近端与波分解复用模块A相连的探测器A中进行探测,探测得到的电信号输入至近端的示波器A中实时监测其峰峰值。
若近端探测器A输出的电信号峰峰值低于阈值,则提高链路中串联的双向光放大装置的放大增益,或增加在链路中串联的双向光放大装置的个数以增大近端探测的电信号并使其达到阈值。
当近端和远端探测器输出的电信号峰峰值均达到阈值时,双向光信号放大过程执行完毕。
所述的双向光放大方法,基于单根光纤链路,采用密集波分复用技术实现双向光信号的放大,具体步骤如下:
步骤一、近端利用激光器制备光信号,并通过分束器均分为n路,再经过调制器制备波长为λ11,λ12,...,λ1n的n路时间(或频率)信号光,并由波分复用器合成为一路,即得到前向信号光,发送到有双向光放大装置的单根光纤链路中,前向传输给远端;
步骤二、远端利用波分解复用器和光探测器对光信号进行探测,输出电信号到示波器,观察电信号峰峰值;
步骤三、判断电信号峰峰值是否低于设定的阈值下限,如果是,则增大双向光放大装置中单向光放大器的放大增益;否则,调低双向光放大装置中单向光放大器的放大增益;
通过控制单向光放大器中的泵浦光强度实现对单向光放大器的放大增益增大或调低。
一般而言,光通信中常用的掺饵光纤放大器小信号增益约为30dB,当放大增益超过30dB时,放大器带来的自发辐射噪声就会大幅增加,导致信号光经过放大器后信噪比严重恶化。因此当单级放大器增益超过30dB,,仍无法使电信号峰峰值达到设定的阈值下限,则在光纤链路中串联多个双向光放大装置并调整其链路间距和放大增益,使远端探测的电信号达到阈值;
调整链路间距时,应保证串联的两台双向光放大装置之间的链路距离,能够使得前一台双向光放大装置输出信号传输到下一级时,信号光强度仍然处于下一级放大器的最优放大区间内(<30dB);
步骤四、同理,远端利用激光器制备光信号,经分束器和调制器制备波长为λ21,λ22,...,λ2n的n路时间(或频率)信号光后,由波分复用器合成为一路,得到后向信号光,经单根光纤信道后向传输至近端;
远端也可以利用移频器通过调整近端发送的光信号的频率得到波长为λ21,λ22,...,λ2n的n路时间(或频率)信号光;具体为:远端接收近端波长为λ11,λ12,...,λ1n的n路频率信号光,通过一分二的分束器将近端输入探测器前的波长为λ11,λ12,...,λ1n的n路频率信号光分为两路,其中一路输入探测器B进行探测、另外一路输入移频器移频至所需频率,再经过远端的波分复用器合束并输出至链路中;
步骤五、近端利用波分解复用器和光探测器对光信号进行探测,输出电信号到示波器得到电信号峰峰值;
步骤六、判断电信号峰峰值是否低于设定的阈值下限,如果是,则提高链路中串联的双向光放大装置的放大增益,或增加双向光放大装置的个数以增大近端探测的电信号使其达到阈值;否则,调低双向光放大装置中单向光放大器的放大增益,使其满足阈值;
通过以上实例可以看出,本发明使用单向光放大器、单向密集波分复用模块、环形器和合束器,实现了一种具有高度对称性的双向光放大装置、系统与方法。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种双向光放大装置,其特征在于,包含环形器A、环形器B、合束器、单向光放大器以及单向密集波分复用模块;
两个环形器均为三端口环形器,环形器A包括端口A-1,端口A-2和端口A-3;环形器B包括端口B-1,端口B-2和端口B-3;端口A-3和端口B-3对称连接合束器;合束器后接单向光放大器,单向光放大器后接单向密集波分复用模块;单向密集波分复用模块对称连接端口A-1和端口B-1;同时,端口A-2与前向端口相连,端口B-2与后向端口相连,前向端口和后向端口均可用于光的输入和输出;
所述的前向端口输入波长为λ11,λ12,…,λ1n的光;由端口A-2入射后单向从端口A-3输出,对称地,后向端口输入波长为λ21,λ22,…,λ2n的光,由端口B-2入射后单向从端口B-3输出;端口A-3和端口B-3输出的两束光经合束器组束后,输出的光信号经过单向光放大器放大后输入单向密集波分复用模块;单向密集波分复用模块根据信号波长的不同,将波长为λ21,λ22,…,λ2n的信号光输入环形器A的端口A-1,单向经端口A-2从前向端口输出;同理,将波长为λ11,λ12,…,λ1n的光输入端口B-1,单向经端口B-2从后向端口输出;实现了在单根光纤中双向传输光信号的放大。
2.基于权利要求1所述的一种双向光放大装置的双向光放大系统,其特征在于,包括通过光纤链路相连的近端和远端,光纤链路上依次串连若干双向光放大装置;
其中近端包括光源,分束器A,调制器A,波分复用/解复用模块A,探测器A和示波器A;远端包括光源,分束器B,调制器B,波分复用/解复用模块B,探测器B和示波器B;
双向光放大系统时分复用的过程具体为:
近端的光源制备光信号并经过分束器A均分为n路,每一路均与调制器A相连接,经调制后由波分复用模块A合为一路,再输入光纤链路中前向传输;光纤链路另一端接入远端的波分解复用模块B,光纤链路中的信号光经过波分解复用模块B后被分解为n路,输入与波分解复用模块B相连的探测器B中进行探测,探测得到的电信号输入至示波器B中实时监测其峰峰值;
同理,远端的光源制备光信号并经过分束器B均分为n路,每一路均与调制器B相连接,经调制后由波分复用模块B合为一路,再输入光纤链路中后向传输;后向传输的光信号经过光纤链路后输入至近端的波分解复用模块A中,被分解为n路,输入至探测器A中进行探测,探测得到的电信号输入至示波器A中实时监测其峰峰值。
3.基于权利要求2所述的一种双向光放大系统的双向光放大方法,其特征在于,具体步骤如下:
首先,近端的光源制备的光信号,经分束器A和调制器A制备波长为λ11,λ12,…,λ1n的n路频率信号光后,由波分复用器A合成为一路,得到前向信号光,发送到单根光纤链路中前向传输给远端;远端利用波分解复用器B和光探测器B对光信号进行探测,输出电信号到示波器B,观察电信号峰峰值;
然后,判断电信号峰峰值是否低于设定的阈值下限,如果是,则增大双向光放大装置中单向光放大器的放大增益;否则,调低双向光放大装置中单向光放大器的放大增益;
通过控制单向光放大器中的泵浦光强度实现对单向光放大器的放大增益增大或调低;
同理,远端的光源制备的光信号,经分束器B和调制器B制备波长为λ21,λ22,…,λ2n的n路时间信号光后,由波分复用器合B成为一路,得到后向信号光,经单根光纤信道后向传输至近端;近端利用波分解复用器A和光探测器A对光信号进行探测,输出电信号到示波器A得到电信号峰峰值;
判断电信号峰峰值是否低于设定的阈值下限,如果是,则提高链路中串联的双向光放大装置的放大增益,或增加双向光放大装置的个数以增大近端探测的电信号使其达到阈值;否则,调低双向光放大装置中单向光放大器的放大增益,使其满足阈值。
4.基于权利要求3所述的一种双向光放大方法,其特征在于,所述的对单向光放大器的放大增益增大或调低,具体为:
当单向光放大器增益超过30dB,仍无法使电信号峰峰值达到设定的阈值下限,则在光纤链路中串联多个双向光放大装置并调整其链路间距和放大增益,使远端探测的电信号达到阈值;
调整链路间距时,应保证串联的两台双向光放大装置之间的链路距离,使得前一台双向光放大装置输出信号传输到下一级时,信号光强度仍然处于下一级放大器的最优放大区间内。
5.基于权利要求3所述的一种双向光放大方法,其特征在于,所述的远端的光源制备光信号,替换为将近端发送的光信号,通过移频手段制备;
所述的远端接收近端波长为λ11,λ12,…,λ1n的n路频率信号光,利用移频器调整其频率得到波长为λ21,λ22,…,λ2n的n路时间信号光;具体为:通过一分二的分束器将近端输入探测器前的波长为λ11,λ12,…,λ1n的n路频率信号光分为两路,其中一路输入探测器B进行探测、另外一路输入移频器移频至所需频率,再经过远端的波分复用器合束并输出至链路中。
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CN202111399495.6A CN114285473B (zh) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | 一种双向光放大装置、系统与方法 |
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