CN116527154A - 一种顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种基于可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅的顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器,属于微波光子学技术领域。该系统由可调谐半导体激光器、相位调制器、可调谐光滤波器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、掺铒光纤放大器、矢量网络分析仪和光电探测器组成,经过光纤布拉格光栅修正后的滤波器频率响应信号为顶部平坦的矩形通带。本发明通过可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅相结合,实现3dB带宽和中心频率可调、可重构的顶部平坦的矩形单通带微波光子滤波器;通过调节中心波长的偏移,可以改变滤波器的3dB带宽;通过改变可调谐光滤波器的带宽,可以实现单通带中心频率的调谐。
Description
技术领域
本发明属于微波光子学技术领域,具体涉及一种基于可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅的顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器。
背景技术
微波光子滤波器是指利用光电转换将射频信号转换为光信号,再利用光学器件或光学系统完成对光信号的处理过程,其实现的功能与传统的微波滤波器功能相同,根本目标是提高现有微波滤波器的性能,使得它在频率范围、带宽、动态范围、抗干扰等方面获得提升。跟传统的微波滤波器相比,微波光子滤波器具有带宽大、工作频段高、抗电磁干扰能力强的优点。
单通带滤波器可以有效地从无用信号中提取有用信号。这种带宽可调、中心频率可调的单通带可重构微波光子滤波器在各种应用中显示出巨大的潜力。典型的技术是利用光学延迟线结构和频谱切片,然而,基于离散时间信号处理的滤波器的频率调谐范围有限,使得滤波器的频率响应具有基带响应以及多个谐波通带。实现单通带微波光子滤波器的另一个技术是将相位调制转换到强度调制的光电域映射,例如受激布里渊散射、微环谐振器、法布里-珀罗腔、光纤布拉格光栅和可调谐光滤波器。基于此方法的微波光子滤波器性能主要受光谱或滤波器的特性限制。S.Song等人基于一对级联的微环谐振器,通过实验实现了形状因子为1.78的可调谐微波光子滤波器(S.Song,S.X.Chew,X.Yi,L.Nguyen,andR.A.Minasian,“Tunable single-passband microwave photonic filter based onintegrated optical double notch filter,”J.Lightwave Technol.36(19),4557–4564(2018))。L.Xu等人通过控制每个微环谐振器的谐振波长,提出了具有平顶响应的单通带滤波器(L.Xu,J.Hou,H.Tang,Y.Yu,Y.Yu,X.Shu,and X.Zhang,“Silicon-on-insulator-based microwave photonic filter with widely adjustable bandwidth,”Photon.Res.7(2),110–115(2019))。F.Jiang等人利用法布里-珀罗半导体光放大器中的非线性效应,实现了具有平顶响应的单通带可调谐微波光子滤波器(F.Jiang,Y.Yu,T.Cao,H.Tang,J.Dong,and X.Zhang,“Flat-top bandpass microwave photonic filter withtunable bandwidth and center frequency based on a Fabry-Pérot semiconductoroptical amplifier,”Opt.Lett.41(14),3301–3304(2016))。F.Jiang等人通过抵消两个频率响应,实现了形状因子为3.5的可调谐微波光子滤波器(F.Jiang,Y.Yu,H.Tang,L.Xu,andX.Zhang,“Tunable bandpass microwave photonic filter with ultrahigh stopbandattenuation and skirt selectivity,”Opt.Express 24(16),18655–18663(2016))。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅的顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器。
本发明所述的顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器的结构如图1所示,由可调谐半导体激光器、相位调制器、可调谐光滤波器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、掺铒光纤放大器、光电探测器和矢量网络分析仪组成。
可调谐半导体激光器输出的光载波被矢量网络分析仪输出的电信号经相位调制器调制,形成上下边带幅度相等、相位相反的相位调制信号,相位调制信号首先经过可调谐光滤波器对上下边带进行非对称滤波,再经过第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅,相位调制信号的幅度包络被整形为矩形,经掺铒光纤放大器放大后输入到光电探测器中,经光电探测器光电转换之后输入到矢量网络分析仪中,由矢量网络分析仪测得微波光子滤波器的频率响应信号;由于落在可调谐光滤波器传输光谱边沿处的残留相位调制信号被两个光纤布拉格光栅滤掉,修正后的相位调制信号幅度包络为矩形,因此矢量网络分析仪测得的微波光子滤波器的频率响应信号为矩形。由于相位调制信号经过了三次滤波,即经过了可调谐光滤波器、第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅,增加了过滤信号的幅度平坦性,因此,经过光纤布拉格光栅修正后的滤波器频率响应信号为顶部平坦的矩形通带。
图2(a)为未加入光纤布拉格光栅的相位调制信号光谱和射频域频率响应示意图。如图2(a)所示,可调谐半导体激光器输出角频率为ωc的光载波,矢量网络分析仪输出角频率为ωm的待滤波的小幅扫频电信号(ωm角频率变化),这些具有一定频带宽度的待滤波的小幅扫频信号通过相位调制器加载到光载波上,经相位调制器调制后输出相位相反、幅度相等的上边带信号和下边带信号,调制后的上边带和下边带信号送入可调谐光滤波器(图2(a)中的“梯形”信号即为可调谐光滤波器的传输光谱)对上边带信号和下边带信号进行非对称滤波,滤除了一部分边带并打破了相位调制上下边带信号的幅度平衡,使一部分对称的上下边带信号变成相位相反、幅度不相等,经掺铒光纤放大器放大后的相位调制信号经光电探测器进行光电转换,由于系统中使用的是平衡光电探测器,幅度相等、相位相反的光信号(图2(a)中虚线框内的信号)经光电转换后为直流信号,而幅度不相等、相位相反的上下边带信号和滤波后的上边带信号(图2(a)中的灰色部分)经光电转换后输入到矢量网络分析仪中,得到滤波器的频率响应信号,如图2(b)的射频域频率响应所示。由于可调谐光滤波器的传输光频不是矩形,边沿下降不陡峭,因此落在可调谐光滤波器传输光谱边沿上的相位调制信号不能被完全滤除,这部分调制信号的幅度被衰减,经过光电探测器后可以被探测出来,因此由矢量网络分析仪显示的频率响应的通带边沿下降不陡峭。
图2(b)为本发明所述的加入了光纤布拉格光栅的相位调制信号光谱和射频域频率响应示意图。如图2(b)所示,可调谐半导体激光器输出角频率为ωc的光载波,矢量网络分析仪输出角频率为ωm的待滤波的小幅扫频信号(ωm角频率变化),这些具有一定频带宽度的待滤波的小幅扫频信号通过相位调制器加载到光载波上,经相位调制器调制后输出相位相反、幅度相等的上边带和下边带信号,调制后的上边带和下边带信号送入可调谐光滤波器对两个边带进行非对称滤波,滤掉了部分下边带,打破了相位调制上下边带信号的幅度平衡,使一部分对称的上下边带信号变成相位相反、幅度不相等,滤波后的相位调制信号经过两个光纤布拉格光栅,光纤布拉格光栅的透射谱可以看成陷波滤波器,将落在可调谐光滤波器传输光谱边沿上的残留相位调制信号滤除,滤波后的相位调制信号幅度包络将被修正为矩形,然后相位调制信号进入掺铒光纤放大器,放大后经光电探测器光电转换,输入到矢量网络分析仪中显示滤波器的频率响应信号,如图2(b)的射频域频率响应所示。由于残留的相位调制信号被两个光纤布拉格光栅滤掉,修正后的相位调制信号幅度包络为矩形,因此滤波器的频率响应为矩形。由于相位调制信号经过了三次滤波,增加了过滤信号的幅度平坦性,因此,经过光纤布拉格光栅修正后的滤波器频率响应为顶部平坦的矩形通带。
本发明的滤波器频率响应如图2(b)的射频域频率响应所示,与如图2(a)的射频域频率响应相比,由于落在可调谐光滤波器传输光谱边沿上的残留相位调制信号被滤除,输入到光电探测器后转换部分只有图2(b)中的灰色区域,如图2(a)和(b)中射频域频率响应所示,频率响应的带宽变大,中心频率左移,形状因子得到改善。
具体信号分析如下。可调谐半导体激光器输出的角频率为ωc的光载波由从矢量网络分析仪生成的角频率为ωm的扫描信号进行相位调制,相位调制后的信号经过可调谐光滤波器进行非对称滤波,相位调制边带之间的幅度关系发生改变。
对于小信号的调制,只考虑相位调制信号的一阶边带,忽略高阶边带。相位调制后的光场可以描述为:
其中E0是可调谐半导体激光器发射的光载波幅度,Jn(m)为n阶第一类贝塞尔函数(n=0,±1),m=πV/Vπ是相位调制指数。ωm是输入电信号的角频率,ωc是光载波信号的角频率,V是信号ωm的幅度,Vπ是相位调制器的半波电压。
可调谐光滤波器的传递函数可以由超高斯分布表示,其定义为:
其中δ是形状因子,ω0可调谐光滤波器的中心角频率。
当相位调制信号仅通过一个可调谐光滤波器传输时,相位调制信号的光场表示为:
相位调制信号的两个边带分别与光载波拍频并产生电信号,入射到光电探测器上的光电流描述为:
其中光电探测器输出的总功率为:
其中,是光电探测器的响应度,未加入光纤布拉格光栅的滤波器频率响应表示为:
其中,Pin(ωm)是扫描信号ωm的平均功率。
在本发明的滤波器设计中,加入了两个光纤布拉格光栅。根据统一传输矩阵理论,假设z=0和z=L的光栅中的前向和后向的传播波是连续的,那么前向波和后向波的复振幅可表示为:
2×2矩阵F表示一个光栅段的转移矩阵,各元素由下式给出:
其中,L是一个光栅段的长度,*表示复合共轭,κ和/>是局部值的耦合系数,定义为:
其中,nneff是有效折射率,Δn是指数调制深度,λD是光纤布拉格光栅的波长,λ=1550nm。
边界条件指定为R0=1,SL=0时,振幅传输系数可表示为:
功率传输系数表示为:
经过两个光纤布拉格光栅后的光场可表示为:
入射到光电探测器上的光电流为:
其中经过光电探测器后的总功率为:
本发明的滤波器频率响应表达式为:
本发明选用中心波长为1550nm的可调谐半导体激光器;相位调制器3dB带宽为40GHz;矢量网络分析仪的频率范围为40MHz~40GHz;可调谐光滤波器的波长调谐范围为1480nm~1620nm;掺铒光纤放大器的输出功率设置为25mW;光电探测器的响应度和带宽分别为0.8A/W和40GHz;光纤布拉格光栅的中心波长调谐范围均为1549.229nm~1550.781nm;3dB带宽为0.098nm。两个光纤布拉格光栅的中心波长设置与可调谐光滤波器的中心频率和带宽相关,光纤布拉格光栅的中心波长需要分别落在可调谐光滤波器传输光谱的边沿处。
图3为仿真测得未加入光纤布拉格光栅,相位调制信号仅经过可调谐光滤波器的光谱;光纤布拉格光栅的透射谱;本发明滤波器系统中的相位调制信号经过可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅后的修正光谱。虚线表示未加入光纤布拉格光栅,相位调制信号仅经过可调谐光滤波器的光谱,光谱的中心波长为1549.77nm,3dB带宽为0.19nm,边缘斜率为208.726dB/nm。方块实线表示两个光纤布拉格光栅的透射谱,中心波长分别为1549.56nm和1549.98nm,边缘斜率为483.6409dB/nm。实线表示加入了光纤布拉格光栅,即本发明滤波器系统中的相位调制信号经过可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅后的修正光谱,经光纤布拉格光栅的修正后,光谱的形状更加陡峭,边缘斜率提高到259.178dB/nm。
两种情况下的频率响应仿真图如图4所示。对于第一种情况,虚线表示未加入光纤布拉格光栅,仅基于一个可调谐光滤波器的单通带频率响应,通带中心频率为7.89GHz,3dB带宽为4.01GHz,形状因子为2.99。实线表示加入了光纤布拉格光栅的单通带频率响应,即本发明滤波器的频率响应。通带中心频率为4.95GHz,3dB带宽为5.1GHz,20dB带宽为9.35GHz,形状因子为1.83。如图4所示,修正后的频率响应带宽变宽,形状因子得到了改善。由于落在可调谐光滤波器传输光谱边沿处的相位调制信号被两个光纤布拉格光栅滤除,因此滤波器频率响应的中心频率左移。
本发明所述的顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器的特点:
(1)通过可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅相结合,实现顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器。
(2)通过改变可调谐光滤波器的中心波长与可调谐半导体激光器的载波波长的频率偏移,可以实现滤波器频率响应的重构。
(3)通过改变可调谐光滤波器的带宽,可以实现滤波器频率响应的中心频率的调谐。
附图说明
图1:顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器的结构示意图;
图2:相位调制信号光谱与射频域频率响应;(a)未加入光纤布拉格光栅的相位调制信号光谱与射频域频率响应示意图;(b)本发明的滤波器系统中相位调制信号光谱与射频域频率响应示意图;
图3:仿真测得未加入光纤布拉格光栅,相位调制信号仅经过可调谐光滤波器的光谱(虚线);光纤布拉格光栅的透射谱(方块实线);本发明滤波器系统中的相位调制信号经过可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅后的修正光谱(实线);横坐标为光波长,纵坐标为光功率;
图4:仿真测得未加入光纤布拉格光栅的单通带频率响应(虚线)和本发明的单通带频率响应(实线);横坐标为频率响应的频率,纵坐标为归一化的频率响应的幅度;
图5:实验测得未加入光纤布拉格光栅,相位调制信号仅经过可调谐光滤波器的光谱(虚线);光纤布拉格光栅的透射谱(方块虚线);本发明滤波器系统中的相位调制信号经过可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅后的修正光谱(实线);横坐标为光波长,纵坐标为光功率;
图6:实验测得未加入光纤布拉格光栅的单通带频率响应(方块实线),本发明的单通带频率响应(实线);横坐标为频率响应的频率,纵坐标为频率响应的幅度;
图7:本发明滤波器频率响应的可重构性;横坐标为电信号频率,纵坐标为频率响应幅度;
图8:本发明滤波器频率响应的中心频率可调谐性;横坐标为频率响应的频率,纵坐标为频率响应的幅度;
图9:未加入光纤布拉格光栅与本发明滤波器频率响应的形状因子对比曲线;横坐标为频率响应的3dB带宽,纵坐标为频率响应的形状因子。
具体实施方式
实施例1
在第一个实验中(如图1所示,不包括虚线部分所述部件),可调谐半导体激光器为Santec公司生产,型号为TSL-510,激光器的波长设定为1550nm(对应频率为fc=193414.489GHz);相位调制器为Photline公司生产,型号为MACH40,其3dB带宽为40GHz;矢量网络分析仪为Anritsu公司生产,型号为37269C,频率范围为40MHz~40GHz;可调谐光滤波器为Yenista公司生产,型号为XTM-50,波长调谐范围为1480nm~1620nm,带宽可调范围为40MHz~80GHz;掺铒光纤放大器为脉锐光电公司生产,型号为EDFA-ILA-17-B,输出功率设置为25mW;光电探测器为Optilab公司生产,型号为PD-40-M,响应度为0.8A/W,带宽为40GHz。
在第二个实验中,即本发明的装置实验(如图1所示,包括虚线部分所述部件),两个光纤布拉格光栅为Newport公司生产,型号为TBF-1550,中心波长调谐范围为1549.229nm~1550.781nm,3dB带宽为0.098nm。其他器件与第一个实验相同。
按图1连接好相应的仪器设备,可调谐半导体激光器的频率设定为fc=193414.489GHz,矢量网络分析仪输出频率范围为40MHz~40GHz的微波信号通过相位调制器加载到光载波上,相位调制器输出的信号经过可调谐光滤波器之后,此信号进入到掺铒光纤放大器中进行损耗补偿,放大的相位调制器信号经光电探测器光电转换之后输入到矢量网络分析仪中,由矢量网络分析仪得出滤波器的频率响应。
实验测得的相位调制信号经过可调谐光滤波器的光谱;光纤布拉格光栅的透射谱;经过光纤布拉格光栅修正后的光谱,即本发明滤波器系统中的相位调制信号光谱如图5所示。虚线表示未加入光纤布拉格光栅,相位调制信号仅经过可调谐光滤波器的光谱,其中心波长为1550.130nm,3dB带宽为0.174nm。方块虚线表示两个光纤布拉格光栅的透射谱,中心波长分别为1549.998nm和1550.258nm。实线表示加入了光纤布拉格光栅,即本发明滤波器系统中的相位调制信号经过可调谐光滤波器和光纤布拉格光栅后的修正光谱。经光纤布拉格光栅的修正,光谱斜率边缘由210.414dB/nm提高到229.116dB/nm。对于插入损耗,光纤光栅传输后光功率衰减约6.6dB,滤波器频率响应的幅度为24.95dB。在射频域中,两个实验的单通带滤波器频率响应如图6所示,经光纤布拉格光栅修正后,即本发明滤波器频率响应的中心频率左移1.67GHz,3dB带宽从3.8GHz提高到5.1GHz,形状因子由2.76减小到1.88,1dB幅度波动范围由1.5GHz提高到3GHz。图7表示了本发明滤波器的频率响应的可重构性,当可调谐光滤波器的中心波长、带宽和两个光纤布拉格光栅的中心波长不变,改变可调谐半导体激光器的载波波长,多个滤波器的频率响应如图7所示。从图7可以看出,改变可调谐光滤波器的中心波长与可调谐半导体激光器的载波波长的频率偏移,可以改变滤波器频率响应的3dB带宽。当滤波器频率响应的3dB带宽增大时,频率响应的幅度由从22.61dB增加到37.9dB,这是由于滤波器频率响应的幅度取决于相位调制到强度调制的转换区域,当频率偏移增大时,转换区域也随着增大,因此频率响应的幅度也变大。图8表示了本发明滤波器频率响应的中心频率可调谐性,当可调谐光滤波器的中心波长与可调谐半导体激光器的载波波长的频率偏移保持不变,改变可调谐光滤波器的带宽与光纤布拉格光栅的中心波长,多个滤波器频率响应的测量结果如图8所示。从图8可以看出,改变可调谐光滤波器的带宽与光纤布拉格光栅的中心波长,可以改变滤波器频率响应的中心频率,而滤波器频率响应的3dB带宽不变。图8中的多个滤波器频率响应的幅度不变,这是由于可调谐光滤波器的中心波长与可调谐半导体激光器的载波波长的频率偏移保持不变,从而相位调制到强度调制的转换区域不变,因此频率响应的幅度不变。图9表示未加入光纤布拉格光栅与本发明滤波器的频率响应形状因子对比。当3dB带宽从4.06GHz增加到12GHz时,滤波器的形状因子明显减小。当3dB带宽为6.2GHz时,形状因子可提高到1.81。当3dB带宽较小时,相应的形状因子得到了显著提高。因此,从对这两种情况进行的理论分析、仿真和实验后发现,在相同条件下,对比未加入光纤布拉格光栅的系统结构,本发明滤波器的3dB带宽从3.8GHz增加到5.1GHz,中心频率左移,通带平坦度的1dB波动范围从1.5GHz增大到3GHz,形状因子为1.88。另外,本发明的滤波器的中心频率和3dB带宽可以独立调谐,中心频率调谐范围为6.3GHz~22.4GHz,3dB带宽为4.06GHz~12GHz。
Claims (4)
1.一种顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器,其特征在于:由可调谐半导体激光器、相位调制器、可调谐光滤波器、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、掺铒光纤放大器、光电探测器和矢量网络分析仪组成;可调谐半导体激光器输出的光载波被矢量网络分析仪输出的电信号经相位调制器调制,形成上下边带幅度相等、相位相反的相位调制信号,相位调制信号首先经过可调谐光滤波器对上下边带进行非对称滤波,再经过第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅,相位调制信号的幅度包络被整形为矩形,经掺铒光纤放大器放大后输入到光电探测器中,经光电探测器光电转换之后输入到矢量网络分析仪中,由矢量网络分析仪测得微波光子滤波器的频率响应信号为顶部平坦的矩形通带。
2.如权利要求1所述的一种顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器,其特征在于:可调谐半导体激光器输出角频率为ωc的光载波,矢量网络分析仪输出角频率为ωm的待滤波的小幅扫频信号,这些具有一定频带宽度的待滤波的小幅扫频信号通过相位调制器加载到光载波上,经相位调制器调制后输出相位相反、幅度相等的上边带和下边带信号,调制后的上边带和下边带信号送入可调谐光滤波器对两个边带进行非对称滤波,滤掉了部分下边带,打破了相位调制上下边带信号的幅度平衡,使一部分对称的上下边带信号变成相位相反、幅度不相等,滤波后的相位调制信号经过两个光纤布拉格光栅,将落在可调谐光滤波器传输光谱边沿上的残留相位调制信号滤除,滤波后的相位调制信号幅度包络将被修正为矩形,然后相位调制信号进入掺铒光纤放大器,放大后经光电探测器光电转换,输入到矢量网络分析仪中显示滤波器的频率响应信为顶部平坦的矩形通带。
3.如权利要求1或2所述的一种顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器,其特征在于:对于小信号的调制,只考虑相位调制信号的一阶边带,忽略高阶边带。相位调制后的光场可以描述为,
其中E0是可调谐半导体激光器发射的光载波幅度,Jn(m)为n阶第一类贝塞尔函数(n=0,±1),m=πV/Vπ是相位调制指数。ωm是输入电信号的角频率,ωc是光载波信号的角频率,V是信号ωm的幅度,Vπ是相位调制器的半波电压。
可调谐光滤波器的传递函数可以由超高斯分布表示,其定义为:
其中δ是形状因子,ω0可调谐光滤波器的中心角频率。
当相位调制信号仅通过一个可调谐光滤波器传输时,相位调制信号的光场表示为:
相位调制信号的两个边带分别与光载波拍频并产生电信号,入射到光电探测器上的光电流描述为:
其中光电探测器输出的总功率为:
其中,是光电探测器的响应度,未加入光纤布拉格光栅的滤波器频率响应表示为:
其中,Pin(ωm)是扫描信号ωm的平均功率。
在本发明的滤波器设计中,加入了两个光纤布拉格光栅。根据统一传输矩阵理论,假设z=0和z=L的光栅中的前向和后向的传播波是连续的,那么前向波和后向波的复振幅可表示为:
2×2矩阵F表示一个光栅段的转移矩阵,各元素由下式给出:
其中,L是一个光栅段的长度,*表示复合共轭,κ和/>是局部值的耦合系数,定义为:
其中,nneff是有效折射率,Δn是指数调制深度,λD是光纤布拉格光栅的波长,λ=1550nm。
边界条件指定为R0=1,SL=0时,振幅传输系数可表示为:
功率传输系数表示为:
经过两个光纤布拉格光栅后的光场可表示为:
入射到光电探测器上的光电流为:
其中经过光电探测器后的总功率为:
则滤波器频率响应表达式为:
4.如权利要求1或2所述的一种顶部平坦的矩形可调谐微波光子滤波器,其特征在于:选用中心波长为1550nm的可调谐半导体激光器;相位调制器3dB带宽为40GHz;矢量网络分析仪的频率范围为40MHz~40GHz;可调谐光滤波器的波长调谐范围为1480nm~1620nm;掺铒光纤放大器的输出功率设置为25mW;光电探测器的响应度和带宽分别为0.8A/W和40GHz;光纤布拉格光栅的中心波长调谐范围均为1549.229nm~1550.781nm;3dB带宽为0.098nm。
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