CN114937720A - 一种基于Micro-LED的车载可见光通信系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Micro‑LED的车载可见光通信系统及其应用。其中,Micro‑LED阵列芯片由独立寻址驱动的单个器件周期性排列构成,器件之间大小形状不限。Micro‑LED器件包括衬底外延层、电流扩展层、钝化层和电极。本发明将Micro‑LED阵列芯片同时作为可见光通信的光发射器和光接收器,应用在车辆或交通设施上,搭建一个由Micro‑LED光发射器、自由空间环境和Micro‑LED光接收器构成的车载可见光通信系统。通过车辆与车辆、车辆与交通设施之间的高速双向并行的可见光通信,构建一个多终端在线共享的数据链路网,实现用户与用户、用户与互联网之间的信息实时交互,在提供高速率光通信传输的同时还兼具照明显示功能提升资源利用率。
Description
技术领域
本发明属于可见光通信技术领域,具体的,涉及一种基于Micro-LED的车载可见光通信系统及其应用。
背景技术
随着无线通信和大数据技术的飞速发展,对通信容量和数据传输速率的要求与日俱增,射频通信逐渐面临频谱资源紧张、传输功率受限等问题,为了实现高质量通信,迫切需要寻求新的方向。可见光通信(VLC)是利用可见光作为传输媒介的一种新的无线通信技术,已经被证实具有安全保密性高、功耗低、抗电磁干扰能力强等优点。相比于传统的射频通信,可见光的频率更高,对应的频谱范围更宽,无需占用现有通信资源,并能将照明与通信相结合,是数据通信的理想选择。
目前常用的是基于发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的可见光通信,并且发射端常用LED或LD,接收端常用光电二极管。然而商用的LED在调制带宽和传输速率等方面都有局限性;LD设备在激光照明的安全性和光学扩展性方面仍然面临很多难题。为了克服这一困境,研究人员将Micro-LED引入可见光通信系统。
近年来,智能驾驶技术是通信和物联网技术发展的一个重要分支,可见光通信在智慧交通领域的应用也是研究的主要方向。车载可见光通信常以车载头灯尾灯作为通信光源,在车辆和车辆以及车辆和基础设施之间的搭建庞大的高速通信网络,为交通信号违规、弯道辅助、车辆变道、停车辅助、碰撞预警等方面提供高效的数据连接和安全保障。通信范围和延迟时间是车辆通信安全性能的关键指标,相比于Micro-LED器件,常规的发光器件在车载可见光通信方向上的应用缺少明显优势。
因此,考虑到Micro-LED具有高带宽、高电流密度且能实现高速并行通信等特性,需要进一步提升Micro-LED性能,使其搭配车载应用完成快速高效的信号响应,为智慧交通提供安全可靠的解决方案。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述问题,提供一种基于Micro-LED的车载可见光通信系统及其应用。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
第一方面,提供了一种Micro-LED器件,包括衬底、外延层结构、电流扩展层、钝化层以及p型电极层、n型电极层;
所述外延层结构在衬底上生长形成,从下往上依次包括GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN超晶格结构层、InGaN/GaN多量子阱层、p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN层;
所述电流扩展层设置在p-GaN层上;
通过对电流扩展层、p-GaN层、p-AlGaN电子阻挡层、InGaN/GaN多量子阱层、InGaN/GaN超晶格结构层以及部分n-GaN层进行光刻、刻蚀处理使n-GaN层外露,形成突起的台面;
p型电极层与电流扩展层电连接,n型电极层与n-GaN层电连接;
所述钝化层包裹在所述台面及外露的n-GaN层表面,起到隔离电极的作用。
在一些实施例中,所述电流扩展层,通过电子束蒸发或者磁控溅射工艺形成;
在一些实施例中,所述电流扩展层的材质为铟锡氧化物(ITO)薄膜或者镍/金(Ni/Au)金属层,与p-GaN形成良好的欧姆接触;
在一些实施例中,p型电极层和n型电极层通过溅射金属如钛/金(Ti/Au)形成;
在一些实施例中,所述钝化层通过PECVD或PVD沉积SiO2、Si3N4、Al2O3材料实现;
在一些实施例中,衬底的材料为蓝宝石、Si、SiC、GaN或GaAs。
在一些实施例中,所述台面的尺寸小于100 μm,形状包括但不限制于为圆形或方形。
在一些实施例中,衬底厚度为430 μm;非故意掺杂的GaN缓冲层厚度为2-3 μm;n-GaN层厚度2-3 μm;InGaN/GaN超晶格结构层厚度为200-300 nm;InGaN/GaN多量子阱层厚度为100-200 nm;p-AlGaN电子阻挡层厚度为20-100 nm;p-GaN层厚度为100 nm;电流扩展层厚度为100 nm;钝化层厚度为0.2 μm;p型电极层和n型电极层的厚度均为0.2 μm。
第二方面,提供一种Micro-LED阵列器件,由独立寻址驱动的所述的Micro-LED器件周期性分布排列,其中Micro-LED阵列器件中单个Micro-LED器件的尺寸大小可以自由设置。
在一些实施例中,相邻两个Micro-LED器件间距小于500 μm。
第三方面,提供一种Micro-LED阵列芯片,由所述的Micro-LED阵列器件与CMOS驱动控制电路键合封装形成。
第三方面,提供所述的Micro-LED阵列芯片、所述Micro-LED阵列器件或所述的Micro-LED器件作为可见光通信系统的光发射器和/或光接收器的应用。
第四方面,提供一种基于Micro-LED的车载可见光通信系统,包括:
由所述的Micro-LED阵列芯片同时作为可见光通信的光发射器和光接收器,应用在车辆或交通设施上,搭建一个由Micro-LED光发射器、自由空间环境和Micro-LED光接收器构成的车载可见光通信系统;通过车辆与车辆、车辆与交通设施之间的高速双向并行的可见光通信,构建一个多终端在线共享的数据链路网,实现用户与用户、用户与互联网之间的信息实时交互。
在一些实施例中,所述的基于Micro-LED的车载可见光通信系统,所述车载可见光通信系统发射端包括发射信号输入控制模块、基于Micro-LED阵列芯片的光发射器和聚光透镜;接收端包括聚光透镜、基于Micro-LED阵列芯片的光接收器和信号接收处理模块;可见光传输信道为自由空间环境;
所述Micro-LED阵列芯片采用开关键控(OOK)或正交频分复用(OFDM)的调制方式,结合多入多出(MIMO)系统实现高速双向可见光通信,扩大通信容量并提高通信传输速率和响应度。
本发明所述Micro-LED阵列器件由分布排列的单个器件(像素)构成,每个像素可独立寻址,单独驱动。阵列器件的发光尺寸范围1 μm-100 μm,大小形状可自由设置,像素间距小于500 μm。
Micro-LED器件结构包括衬底外延层、电流扩展层、钝化层和金属层等。器件制备主要基于GaN、GaP、GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体作为外延材料,本发明以基于GaN的Micro-LED为例。其中所述衬底材料可以是蓝宝石(Al2O3)衬底、Si衬底、SiC衬底、GaAs衬底以及GaN衬底等,本发明实施例以蓝宝石衬底为例。
本发明公开的一种Micro-LED阵列器件可同时作为可见光通信的光发射器和光接收器,实现双向可见光通信功能。上述Micro-LED器件具有高调制带宽和高通信速率等特性,可作为光发射器发送光信号;同时由于Micro-LED器件对特定波段的可见光产生响应,也可作为光电探测器将接收到的光信号转为电信号。单个Micro-LED光发射器件的-3 dB调制带宽可以达到GHz量级,单个Micro-LED光接收器件的-3 dB调制带宽可以达到数百MHz。
根据公开的实施例,本发明的第二方面公开了一种基于Micro-LED的车载可见光通信系统应用技术。主要方案如下:
本发明所述车载可见光通信系统包括基于Micro-LED光发射器的发射端、传输信道和基于Micro-LED光接收器的接收端。发射端主要包括发射信号输入控制模块、基于Micro-LED的光发射器阵列和聚光透镜等;接收端主要包括聚光透镜、基于Micro-LED的光接收器阵列和信号接收处理模块;传输信道为自由空间环境。
上述集信号发射功能和信息接收功能于一体的可见光通信Micro-LED阵列芯片,可采用开关键控(OOK)或正交频分复用(OFDM)的调制方式,结合多入多出(MIMO)系统实现高速双向可见光通信,以此扩大通信容量并提高通信传输速率和响应度。
上述基于Micro-LED的阵列芯片可布置在车辆和交通设施的发光位置,包括车辆的头灯尾灯、交通信号灯、交通指示牌和各类交通摄像头等。聚光透镜可以通过工艺集成设计在车灯的外罩内或者其他发光设备的外壳内部。Micro-LED阵列芯片在提供车载可见光通信的同时,仍具有照明显示功能,很大程度上减少资源消耗,降低产品成本。
因此,本发明的基于Micro-LED的车载可见光通信方案,利用100 μm以下不同尺寸的Micro-LED阵列同时作为发光器件和探测器件,应用在车辆或交通设施上,通过车辆与车辆、车辆与交通设施之间的高速双向可见光通信,实现用户与用户、用户与设备之间的物联网通信传输,为车联网通信、交通安全以及智能驾驶提供一种应用方案。
本发明开发了一种兼具高速并行可见光通信和绿色照明的专用Micro-LED芯片,为车联网通信、安全驾驶以及智慧交通的应用提供了一种硬件保障。
附图说明
图1为本发明提出的一种具体实施例下的GaN基Micro-LED单一器件的剖面结构示意图;
图2为本发明提出的一种具体实施例下的GaN基Micro-LED阵列器件的俯视示意图;
图3为本发明提出的一种具体实施例下的基于Micro-LED光发射器阵列和光接收器阵列的双向可见光通信流程框图;
图4为本发明提出的一种具体实施例下的Micro-LED阵列芯片同时作为光发射器和光接收器实现车载双向可见光通信模型示意图;
图5为本发明提出的Micro-LED阵列在车辆和交通设施上的应用效果;
图6为本发明提出的基于Micro-LED的车载可见光通信应用示意图;
图中:衬底1;外延层结构:GaN缓冲层2、n-GaN层3、超晶格结构层4、InGaN/GaN多量子阱层5、p-AlGaN电子阻挡层6和p-GaN层7;电流扩展层8;钝化层9;p型电极层10;n型电极层11;可见光通信第一端12和第二端13;第一Micro-LED阵列芯片14和第二Micro-LED阵列芯片15;第一聚焦光学透镜16和第二聚焦光学透镜17。
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中,若干的含义是一个以上,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本发明公开了一种基于Micro-LED的车载可见光通信系统及应用,以GaN基Micro-LED作为光发射器和光接收器的双向可见光通信为例。此处提出的具体实施例仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外,为了便于解释,附图中仅展示与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例1如图1所示,一种Micro-LED器件,包括衬底1、外延层结构、电流扩展层8、钝化层9以及p型电极层10、n型电极层11;
所述外延层结构在衬底1上生长形成,从下往上依次包括GaN缓冲层2、n-GaN层3、InGaN/GaN超晶格结构层4、InGaN/GaN多量子阱层5、p-AlGaN电子阻挡层6和p-GaN层7;
所述电流扩展层8设置在p-GaN层7上;
通过对电流扩展层8、p-GaN层7、p-AlGaN电子阻挡层6、InGaN/GaN多量子阱层5、InGaN/GaN超晶格结构层4以及部分n-GaN层3进行光刻、刻蚀处理使n-GaN层3外露,形成突起的台面;
p型电极层10与电流扩展层8电连接,n型电极层11与n-GaN层3电连接;
所述钝化层9包裹在所述台面及外露的n-GaN层3表面,起到隔离电极的作用。
所述的Micro-LED器件是通过不同的半导体外延层在衬底1上生长形成,外延制备可采用MOCVD的方式。衬底1的材料可以是蓝宝石、Si、SiC、GaN、GaAs等,本发明实施例以c面蓝宝石衬底为例。外延层结构从下往上依次包括:非故意掺杂的GaN缓冲层2、n-GaN层3、InGaN/GaN超晶格结构层4、InGaN/GaN多量子阱层5、非故意掺杂的p-AlGaN电子阻挡层6和p-GaN层7。然后通过电子束蒸发或者磁控溅射工艺在p-GaN层7上制备一层电流扩展层8,电流扩展层8可使用具备低电阻率、高透光率的铟锡氧化物(ITO)薄膜或者镍/金(Ni/Au)金属层,与p-GaN形成良好的欧姆接触。通过对外延片进行光刻、刻蚀以及热退火等一系列工艺处理后,形成尺寸小于100 μm的台面,台面形状不限制,包括但不限制于为圆形或方形。标号9表示钝化层9,可通过PECVD或PVD沉积SiO2、Si3N4、Al2O3材料实现,起到隔离电极的作用。最后通过溅射金属如钛/金(Ti/Au),分别形成p型电极层10和n型电极层11,其中p型电极层10与电流扩展层8连接,n型电极层11与n-GaN层3连接。在一些实施例中,衬底1厚度430 μm;非故意掺杂的GaN缓冲层2厚度为2-3 μm;n-GaN层3厚度2-3 μm (Si掺杂浓度2×1018 cm-3);InGaN/GaN超晶格结构层4厚度为200-300 nm (In组分可控);InGaN/GaN多量子阱层5厚度为100-200 nm (In组分可控);p-AlGaN电子阻挡层6厚度为20-100 nm (Mg掺杂浓度1×1019 cm-3,Al组分可控);p-GaN层7厚度为100 nm (Mg掺杂浓度1×1019 cm-3);电流扩展层8厚度为100 nm;钝化层9厚度0.2 μm;p型电极层10和n型电极层11的厚度均为0.2 μm。
实施例2
一种Micro-LED阵列器件,由实施例1所述的Micro-LED器件周期性分布排列,其中Micro-LED阵列器件中单个Micro-LED器件的尺寸大小可以自由设置。
在一些实施例中,如图2所示,所述的Micro-LED阵列器件由独立寻址驱动的单个器件周期性分布排列。本实施例中单个器件尺寸小于100 μm,相邻两个Micro-LED器件间距小于500 μm。
实施例3
一种Micro-LED阵列芯片,由实施例2所述的Micro-LED阵列器件与CMOS驱动控制电路键合封装形成。
在发光方式上,所述Micro-LED阵列器件可以采用正装顶部发光或倒装形式发光。在一些实施例中,为了获得更大的发光功率和分辨率,实施例器件采用倒装形式发光,即在p型电极层10上方附加一块反射镜,使得光从衬底区域发射出来。同时,在倒装工艺下,CMOS驱动控制电路可以与Micro-LED阵列实现很好的键合,形成倒装封装的Micro-LED阵列芯片。
本发明公开的一种Micro-LED阵列器件可同时作为可见光通信的光发射器和光接收器,实现双向可见光通信功能。上述Micro-LED器件具有高调制带宽和高通信速率等特性,可作为光发射器发出光信号;同时由于Micro-LED器件对特定波段的可见光产生响应,也可作为光电探测器将接收到的光信号转为电信号。单个Micro-LED光发射器件的-3 dB调制带宽可以达到GHz量级,单个Micro-LED光接收器件的-3 dB调制带宽可以达到数百MHz。
实施例3
上述的Micro-LED阵列芯片、Micro-LED阵列器件或所述的Micro-LED器件作为可见光通信系统的光发射器和/或光接收器的应用。
基于Micro-LED阵列的光发射器和光接收器。图3是一种具体实施例下的基于Micro-LED光发射器阵列和光接收器阵列的双向可见光通信流程框图。
图3中标号12和13的虚线框区域分别表示可见光通信的两侧12、13,通信双方可同时具备发射和接收功能,实现双向通信。发射端主要包括信号输入模块、光发射器和透镜等部件。其中信号输入模块主要包括电信号输入、信号放大偏置、信号调制编码和光信号驱动等功能,光发射器是阵列化的Micro-LED器件,透镜主要用于光学聚焦。接收端主要由透镜、光接收器和信号接收模块等组成。其中光接收器是基于Micro-LED阵列的光电探测器,信号接收模块主要包括信号放大、信号解码分析、电信号输出等功能。
上述可见光通信主要采用基于单载波调制的OOK调制方式,为了提升并行信号的传输,提高传输速率,多采用基于多载波复用技术的OFDM调制技术。同时可以结合MIMO技术提升并行通信速率。发射端与接收端之间的可见光传输信道可以是任意自由空间环境。
实施例4
一种基于Micro-LED的车载可见光通信系统,包括:
由上述的Micro-LED阵列芯片同时作为可见光通信的光发射器和光接收器,应用在车辆或交通设施上,搭建一个由Micro-LED光发射器、自由空间环境和Micro-LED光接收器构成的车载可见光通信系统;通过车辆与车辆、车辆与交通设施之间的高速双向并行的可见光通信,构建一个多终端在线共享的数据链路网,实现用户与用户、用户与互联网之间的信息实时交互。
图4为本发明提出的一种具体实施例下的Micro-LED阵列芯片同时作为光发射器和光接收器实现车载双向可见光通信的模型示意图。在本发明的车载可见光通信系统模型中,标号14和15表示第一Micro-LED阵列芯片14、第二Micro-LED阵列芯片15,此实例模型中Micro-LED阵列器件同时作为高带宽的光发射器和高性能光电探测器,实现多信道的双向并行通信。第一聚焦光学透镜16、第二聚焦光学透镜17,分别置于光发射器端和光接收器端。在Micro-LED阵列中,有源驱动下的Micro-LED发射器件可以将系统前端信号输入模块的电信号响应转化为光信号发射出来,经过透镜发送到信道空间。同时,同一阵列中或独立于发射器阵列,有源驱动下的Micro-LED探测器件可以接收外部信道中传输的光信号,并处理产生电信号响应,传递到后端的信号接收模块。两路信道相互独立且可同时工作,实现高速并行双向通信。
上述Micro-LED阵列作为光电探测器工作时还具备自供电的特性,可以不借助外部供电完成探测功能,以此在控制能源消耗上有明显优势。
Micro-LED阵列芯片可布置在车辆和交通设施的发光位置,包括车辆的头灯尾灯、交通信号灯、交通指示牌和各类交通摄像头等。聚光透镜可以通过工艺集成设计在车灯的外罩内或者其他发光设备的外壳内部。Micro-LED阵列芯片在提供车载可见光通信的同时仍具有照明显示功能,实现资源的高效利用,降低产品成本。
图5是本发明提出的Micro-LED阵列在车辆和交通设施上的应用效果。在车辆光源显示位置,如汽车的头灯和尾灯处;在交通设施上,如高速摄像头中,用Micro-LED器件代替或独立于传统的LED光源器件,使车辆和设备之间建立良好的通信渠道,实现信息的实时传递。在具体实施例中,聚光透镜可以通过工艺集成设计在车灯的外罩内或者其他发光设备的外壳内部。在提供光通信的同时,Micro-LED仍具有照明显示的功能,能够实现资源的高效利用。
图6是本发明提出的基于Micro-LED的车载可见光通信应用示意图。如图显示,行驶车辆和交通信号灯均搭载了基于Micro-LED的车载可见光通信装置。Micro-LED可见光通信的应用使得车辆与车辆、车辆与交通信号灯之间都能进行信息的双向传输,以此构建一个多终端在线共享的数据链路网,实现用户与用户、用户与互联网之间的信息实时交互,为车联网通信,安全驾驶以及智慧交通的应用提供硬件保障。
以上所述是结合具体的优选实施方式对本发明作出的进一步详细说明,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单的推演或替换,都应当视为属于本发明确定的保护范围。
Claims (10)
1.一种Micro-LED器件,其特征在于,包括衬底、外延层结构、电流扩展层、钝化层以及p型电极层、n型电极层;
所述外延层结构在衬底上生长形成,从下往上依次包括GaN缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN超晶格结构层、InGaN/GaN多量子阱层、p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN层;
所述电流扩展层设置在p-GaN层上;
通过对电流扩展层、p-GaN层、p-AlGaN电子阻挡层、InGaN/GaN多量子阱层、InGaN/GaN超晶格结构层以及部分n-GaN层进行光刻、刻蚀处理使n-GaN层外露,形成突起的台面;
p型电极层与电流扩展层电连接,n型电极层与n-GaN层电连接;
所述钝化层包裹在所述台面及外露的n-GaN层表面,起到隔离电极的作用。
2.根据权利要求1所述的Micro-LED器件,其特征在于,所述电流扩展层,通过电子束蒸发或者磁控溅射工艺形成;
和/或,所述电流扩展层的材质为铟锡氧化物薄膜或者镍/金金属层,与p-GaN形成良好的欧姆接触;
和/或,p型电极层和n型电极层通过溅射金属形成;
和/或,所述钝化层通过PECVD或PVD沉积SiO2、Si3N4、Al2O3材料实现;
和/或,衬底的材料为蓝宝石、Si、SiC、GaN或GaAs。
3.根据权利要求1所述的Micro-LED器件,其特征在于,所述台面的尺寸小于100 μm,形状包括但不限制于为圆形或方形。
4.根据权利要求1所述的Micro-LED器件,其特征在于,衬底厚度为430 μm;非故意掺杂的GaN缓冲层厚度为2-3 μm;n-GaN层厚度2-3 μm;InGaN/GaN超晶格结构层厚度为200-300nm;InGaN/GaN多量子阱层厚度为100-200 nm;p-AlGaN电子阻挡层厚度为20-100 nm;p-GaN层厚度为100 nm;电流扩展层厚度为100 nm;钝化层厚度为0.2 μm;p型电极层和n型电极层的厚度均为0.2 μm。
5.一种Micro-LED阵列器件,其特征在于,由权利要求1-4任一项所述的Micro-LED器件周期性分布排列。
6.根据权利要求5所述的Micro-LED阵列器件,其特征在于,相邻两个Micro-LED器件间距小于500 μm。
7.一种Micro-LED阵列芯片,其特征在于,由Micro-LED阵列器件与CMOS驱动控制电路键合封装形成。
8.如权利要求7所述的Micro-LED阵列芯片、权利要求5所述Micro-LED阵列器件或权利要求1-4任一项所述的Micro-LED器件作为可见光通信系统的光发射器和/或光接收器的应用。
9.一种基于Micro-LED的车载可见光通信系统,其特征在于,包括:
由权利要求7所述的Micro-LED阵列芯片同时作为可见光通信的光发射器和光接收器,应用在车辆或交通设施上,搭建一个由Micro-LED光发射器、自由空间环境和Micro-LED光接收器构成的车载可见光通信系统;通过车辆与车辆、车辆与交通设施之间的高速双向并行的可见光通信,构建一个多终端在线共享的数据链路网,实现用户与用户、用户与互联网之间的信息实时交互。
10.根据权利要求9所述的基于Micro-LED的车载可见光通信系统,其特征在于,包括:
所述车载可见光通信系统发射端包括发射信号输入控制模块、基于Micro-LED阵列芯片的光发射器和聚光透镜;接收端包括聚光透镜、基于Micro-LED阵列芯片的光接收器和信号接收处理模块;可见光传输信道为自由空间环境;
和/或,所述Micro-LED阵列芯片采用开关键控OOK或正交频分复用OFDM的调制方式,结合多入多出MIMO系统实现高速双向可见光通信,扩大通信容量并提高通信传输速率和响应度。
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