DE102006058395A1 - Anordnung zur elektrischen Ansteuerung und schnellen Modulation von THz-Sendern und THz-Messsystemen - Google Patents
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Abstract
Es soll eine preisgünstige und kompakte Anordnung zur elektro-optischen Ansteuerung und schnellen Modulation von THz-Sendern und THz-Messsystemen angegeben werden, die stabil ist, ohne mechanische Bewegungen auskommt und mit rein elektrischer Ansteuerung bei geringem Leistungsverbrauch und mit hohem Geschwindigkeitspotential für die Phasenmodulation arbeitet. Hierzu werden die dem Stand der Technik nach bekannten Komponenten: zwei Laser, Strahlteiler, Koppler und die mechanisch bewegte Verzögerungsleitung ersetzt durch einen kompakten monolithisch oder hybrid integrierten Chip (10), einem so genannten optischen Master-Chip, ohne bewegliche Teile, aufweisend mindestens die beiden Laser (1, 2); Strahlteiler (S3.1, S3.2), Koppler (K3.1, K3.2) und einen Phasenmodulator (4.1) für eine der Laserwellen, so dass die beiden erzeugten Schwebungssignale zu jeweils unterschiedlichen Chip-Ausgängen (6, 7) für die getrennte Ansteuerung von THz-Sender und Lokal-Oszillator führen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektro-optischen Ansteuerung und schnellen Modulation von THz-Sendern und THz-Messsystemen, mindestens aufweisend zwei einmodige Halbleiterlaser mit einer relativen Wellenlängen-Differenz zueinander zur Erzeugung von Schwebungssignalen mit der gewünschten THz-Frequenz und von denen mindestens einer elektrisch in der Wellenlänge abstimmbar ist, weiterhin aufweisend Mittel zur Überlagerung der beiden Laserwellen und zur Erzeugung von überlagerten Schwebungssignalen an zwei Ausgängen, wobei ein Schwebungssignal an einem Ausgang der Ansteuerung eines THz-Senders und ein anderes Schwebungssignal am anderen Ausgang der Ansteuerung eines Lokal-Oszillators im THz-Empfänger dient, sowie mindestens einem Mittel zur Einstellung der relativen Phasenlage der Schwebungssignale an den Ausgängen für THz-Sender bzw. Lokal-Oszillator zueinander.
- Derartige Anordnungen werden im Bereich elektromagnetischer Strahlung zwischen 0,3 THz und 10 THz, im so genannten Terahertz-Bereich, z. B. in der Sicherheitstechnik, Analytik, Spektroskopie angewendet. Hierbei stellen abstimmbare Sender und empfindliche Detektionstechniken einen Engpass dar. Mit obiger Ansteuerung sollen Homodyn-Messtechniken zur empfindlichen Detektion von THz Signalen ermöglicht werden.
- Elektronischen Lösungen sind bei diesen hohen Frequenzen Grenzen gesetzt, und für optische Generation (Laser) und Detektion der Strahlung stellt die kleine Photonenenergie (kleiner oder nahe kT der Wärmestrahlung bei Raumtemperatur) ein Problem dar. Die benötigte starke Kühlung von z. B. Quanten-Kaskaden Lasern und Solometer-Detektoren führt zu teuren und unhandlichen THz Systemen.
- Eine zunehmend favorisierte flexible und kompakte Lösung für Terahertz-Messsysteme ist in International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 26, No. 2, February 2005, 201–207, insbesondere in
1 beschrieben. Zwei Laser gleicher Polarisation aber unterschiedlicher Wellenlänge werden unter Nutzung eines Strahlteilers überlagert. Es entsteht ein Leistungs-Schwebungssignal mit einer Frequenz, die mit der Wellenlängendifferenz der beiden Laser korreliert. Durch geeignete Wahl der Laserwellenlängen oder durch Wellenlängen-Abstimmung eines der Laser kann die Schwebungsfrequenz sehr einfach eingestellt werden und z. B. innerhalb des interessierenden THz-Bereichs variiert werden. Die Leistungs-THz-Schwebung wird in einem nachgeschalteten so genannten Photomischer – z. B. einem ultraschnellen Photoleiter – opto-elektrisch gewandelt, mit dem Photostromsignal werden Ladungsträgerbewegungen in einer integrierten Antenne erzeugt, und von dieser wird schließlich THz-Strahlung der Schwebungsfrequenz emittiert. - Zur empfindlichen Homodyn-Detektion der THz-Strahlung dient auf der Empfängerseite eine ähnliche Konfiguration. Die Antenne empfängt in diesem Fall die THz-Strahlung. Das optische Schwebungssignal des zweiten Ausgangs wird als Lokal-Oszillator (LO) in den Photomischer eingestrahlt. Im Photomischer entsteht so ein Mischprodukt zwischen THz-Welle und LO-Signal, welches als Messgröße detektiert wird. Die Größe des Mischproduktes hängt von der Stärke der beteiligten Signale, aber auch von der relativen Phasenlage der THz-Strahlung zum Lokaloszillator ab. Die relative Phasenlage wird deshalb in kleinen Schritten in einem Bereich größer als π mit Hilfe des Mittels zur Phasen-Einstellung variiert, und für die verschiedenen Phasenkorrelationen wird die Größe des Mischproduktes THz-Welle – LO gemessen. Der Modulationshub des Mischproduktes über die Phasenvariation wird ermittelt, und dieser ermittelte Wert ist dann das Maß für die Leistung und Phase der THz-Strahlung.
- Für die Bestimmung der Leistung bei einer einzigen THz-Frequenz und einem einzigen Orts-Punkt ist so eine ganze Mess-Serie mit Variation der Phasenkorrelation erforderlich. Die Geschwindigkeit des Mittels zur Phasen-Einstellung beeinflusst deshalb die Messgeschwindigkeit entscheidend.
- Realisiert wird die Phasenvariation bisher durch eine mechanisch bewegte Verzögerungsleitung im mm-Bereich, entsprechend der Wellenlänge der THz-Strahlung.
- Phasenmodulationen mit mechanischen Verzögerungsleitungen haben jedoch die folgenden Nachteile:
- – Die Mechanik ist langsam und somit die Messgeschwindigkeit sehr klein. Insbesondere bei Messung eines weiten THz Spektrums sowie bei bildgebenden Scan-Verfahren, die eine hohe Messgeschwindigkeit in „Video Rate" erfordern, ist dies nicht akzeptabel.
- – Langsam heißt auch, dass Integrationstechniken zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses nicht optimal einsetzbar sind. Die Empfindlichkeit bei schwachen Signalen ist somit eingeschränkt.
- – Mechanische Verzögerungsleitungen sind voluminös und wenig stabil.
- – Fein-mechanische Präzisionskomponenten sind teuer.
- Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine preisgünstige und kompakte Anordnung zur elektrischen Ansteuerung und schnellen Modulation von THz-Sendern und THz-Messsystemen anzugeben, die stabil ist, ohne mechanische Bewegungen auskommt und mit rein elektrischer Ansteuerung bei geringem Leistungsverbrauch und mit hohem Geschwindigkeitspotential für die Phasenmodulation arbeitet.
- Die Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das mindestens eine Mittel zur Einstellung der Phasenlage der Schwebungssignale ein elektrisch ansteuerbarerer Halbleiter-basierter Phasenmodulator für den spektralen Bereich einer Laserwelle ist, der in einem individuellen Lichtpfad zwischen einem der Laser und dem Mittel zur Überlagerung der beiden Laserwellen angeordnet ist, und mit dem die Phase der Laserwelle um wenigstens π elektrisch moduliert werden kann, und dass die zwei einmodigen Halbleiterlaser über Wellenleiter mit dem Mittel zur Überlagerung der beiden Laserwellen und zur Erzeugung von überlagerten Schwebungssignalen an den beiden Ausgängen sowie dem Phasenmodulator verbunden und kompakt und phasenstabil auf einem Chip angeordnet sind.
- Gemäß der Erfindung werden die dem Stand der Technik nach bekannten Komponenten: zwei Laser, Strahlteiler, Koppler und die mechanisch bewegte Verzögerungsleitung ersetzt durch einen kompakten monolithisch oder hybrid integrierten Chip, einem so genannten optischen Master Chip, ohne bewegliche Teile, aufweisend die erfindungsgemäß genannten Mittel, so dass die beiden erzeugten Schwebungssignale zu jeweils unterschiedlichen Chip-Ausgängen für die getrennte Ansteuerung von THz-Sender und Lokal-Oszillator führen.
- Der Phasenmodulator in einem individuellen Lichtpfad einer Laserwelle verändert die Phasenkorrelation der beiden Laserwellen zueinander. Hierdurch wird auch die Phasenlage des Schwebungssignals und der späteren THz-Welle beeinflusst. Wichtig ist, dass für eine Phasenmodulation des Schwebungssignals und der THz-Welle um π auch die Phase der individuellen Lichtwelle um π moduliert werden muss, da sich Phasenmodulationen des optischen Schwebungssignals 1:1 auf die z. B. in Photomischer bzw. Antenne erzeugte THz-Welle übertragen. In Absolutwerten entspricht dabei eine Phasenänderung π bei einer Lichtwelle mit einer Wellenlänge von z. B. 1,5 μm einer optischen Wegstreckenänderung von ca. 0,75 μm, bei einer THz-Welle dagegen einer Wegstreckenänderung von 100 μm bis 1 mm. Letztere Wegstrecken- bzw. Phasenverschiebungen kann man nur durch optische Verzögerungsstrecken mit mechanischen Bewegungen erreichen, wie dies auch in den bisherigen Aufbauten realisiert wurde. Dagegen sind Phasenmodulationen der Laserwelle um π in Wellenleitern des III-V-Materialsystems sehr leicht und hochfrequent durch Strom- bzw. Ladungsträgerinjektion oder durch angelegte Spannung bzw. elektrische Felder möglich. Strommodulationen von mA oder Spannungsmodulationen im Volt-Bereich in ca. 100 μm langen Phasen-Sektionen ersetzen so voluminöse, relativ langsame und instabilere mechanisch bewegte Verzögerungsleitungen.
- Entscheidend für die Lösung der Aufgabe ist es weiterhin, dass die gewünschten Phasenmodulationen nicht durch ungewünschte Phasen-Instabilitäten gestört werden. Verbindet man z. B. individuelle Laser über Fasern mit dem Phasenmodulator und dem Koppler, so ist – wie von Interferometern in Faser-Technik bekannt – mit erheblichen Instabilitäten zu rechnen. Es ist deshalb notwendig, das System der zwei Laser mit Phasenmodulator, Kopplern und Lichtführung kompakt und robust aufzubauen, und das heißt, die Komponenten monolithisch oder hybrid auf einem Chip zu integrieren. Dieser integrierte Chip muss für die Realisierung empfindlicher Homodyn/Heterodyn-Messtechniken zwei optische Ausgänge haben: Einen für das Signal der Laser-Schwebung mit Phasenmodulation und einen für das Signal der Laser-Schwebung ohne Phasenmodulation (Lokal-Oszillator). Die Zuodnung dieser beiden Ausgänge zur Ansteuerung von Sender bzw. Empfänger ist dabei nicht erheblich, da es bei obigen Detektions-Techniken nur auf die relative Phasenlage Signal – LO ankommt.
- Die integrierte Anordnung eines weiteren Phasenmodulators auf dem Chip im individuellen Lichtpfad des zweiten Lasers zwischen diesem und dem Koppler erhöht die Flexibilität der erfindungsgemäßen Lösung.
- Im gemeinsamen Strahlengang hinter den Kopplern wirken sich Phaseninstabilitäten auf beide Wellen praktisch gleich aus, stören die relative Phasenlage also nicht. Hier können nun Glasfasern zur Verbindung des neuen optischen Master-Chips mit den Photomischern an THz-Sender bzw. Homodyn-Empfänger problemlos eingesetzt werden.
- Die Integration von Laser und Phasenmodulator ist für die gewünschte THz-Phasenmodulation unerlässlich. Durch Implementierung weiterer Funktionen lässt sich aber auch die gesamte weitere Charakteristik der THz-Strahlung elektrisch und schnell steuern. Wird einer der Laser als abstimmbarer Laser realisiert, so ist hierüber die THz-Frequenz variierbar. Wird vor dem Ausgang zum Sender ein optischer Verstärker integriert, so kann die Leistung eingestellt und – durch elektrische Modulation der Verstärkung – auch schnell moduliert werden, für z. B. Anwendung der Lock-In Technik.
- Mit dem optischen Master-Chip können so alle Parameter der THz-Welle – Frequenz, Phasenlage, Amplitude – rein elektrisch eingestellt und schnell moduliert werden. Der Chip liefert weiterhin den für empfindliche Homo/Heterodyn-Detektions-Techniken erforderlichen Lokal-Oszillator für die Referenz-Signale am zweiten Ausgang.
- Besondere Vorteile bietet die Anordnung auch bezüglich des Einsatzes der Lock In Technik. Diese wird eingesetzt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und um den Einfluss von Hintergrundstrahlung zu unterdrücken. THz Strahlung und Wärmestrahlung bei Raumtemperatur liegen in einem ähnlichen Energiebereich, und so ist die Lock In Technik bei ungekühlten THz-Systemen unerlässlich. Üblicherweise wird die Leistung des THz-Senders mit einer geeigneten Frequenz moduliert, z. B. durch einen Chopper im optischen Strahlengang. Das Mischprodukt im Empfänger wird dann mit einem Lock-In Verstärker frequenz- und phasenselektiv (zur obigen Modulation) unter Nutzung einer angemessenen Integrationszeit gemessen.
- Statt der Modulation der Leistung des THz-Senders kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung auch die Phasenlage der THz-Strahlung sehr hochfrequent angepasst, z. B an die Lock In Frequenz, und genau um π moduliert werden.
- Das mittels Lock In gemessene Signal ergibt in diesem Fall direkt den Modulationshub des Mischproduktes, also die mit der gesuchten Leistung der THz-Strahlung direkt korrelierte Größe. Lock In Technik und die Variation der Phasenkorrelation THz-Welle – LO werden in der erfindungsgemäßen Lösung also gleichzeitig und in einem Schritt realisiert, was zu einer weiteren Beschleunigung des Mess- und Auswertevorganges führt und eine Direktanzeige des signifikanten Messwertes ermöglicht.
- Es ist vorgesehen, die aktiven Komponenten des Chips aus dem Materialsystem III-V, vorzugsweise InGaAsP oder GaAlAs, auszubilden und den Chip monolithisch in einem der genannten Materialsysteme monolithisch zu integrieren. Der Chip kann aber auch hybrid integriert auf einer Si- oder Polymer-Plattform integriert sein.
- Die oben beschriebenen und weiteren Ausführungsformen sind den Ausführungsbeispielen und Unteransprüchen zu entnehmen.
- Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
- Dabei zeigen
-
1 : ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Laser einseitig emittieren, mit einem Phasenmodulator; -
2 : ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Laser zweiseitig emittieren, mit einem Phasenmodulator; -
3 : ein weiteres Ausführungsbeispiel gem.2 mit einem weiteren Phasenmodulator. - Das erste in
1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen optischen Master Chip10 gemäß der Erfindung, bei dem zwei einmodige Halbleiterlaser1 ,2 einseitig Laserwellen unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, die jeweils in einem Strahlteiler S3.1, S3.2 aufgespalten werden. Mittels Phasenmodulator4.1 wird die Phasenlage des einen Teils der Laserwelle des Lasers1 moduliert und anschließend mit dem nicht modulierten Teil der Laserwelle des Lasers2 im Koppler K3.1 überlagert und zum Ausgang6 geführt. Die beiden anderen nicht modulierten Teile der Laserwellen der Laser1 ,2 werden im Koppler K3.2 überlagert und zum anderen Ausgang6 geführt. Damit werden die Teile der beiden Laserwellen der Laser1 ,2 einmal ohne und einmal mit Phasenmodulation überlagert und zu jeweils unterschiedlichen Chip-Ausgängen6 ,7 für die getrennte Ansteuerung von THz-Sender und Lokal-Oszillator geführt. Die relative Phasenlage der Schwebungssignale kann so in kleinen Schritten in einem Bereich größer als π mittels Phasenmodulator4.1 variiert werden. Zwischen dem Koppler K3.1 und dem Ausgang6 ist ein Amplitudenmodulator5 angeordnet, mit dem die Leistung des Schwebungssignals in diesem Pfad eingestellt und – durch elektrische Modulation der Verstärkung – auch schnell moduliert wird. - Bei dem in
2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel emittieren die beiden Laser1 ,2 in zwei Richtungen, so dass bereits zwei Teilstrahlen je Laser1 ,2 vorliegen, von denen wieder im Lichtpfad eines Teilstrahls eines Lasers1 vor dem Koppler K3.1 der Phasenmodulator4.1 angeordnet ist. Auch hierbei erfolgt die Überlagerung der Teilstrahlen wie oben beschrieben. - Das Ausführungsbeispiel, das in
3 gezeigt ist, weist zusätzlich zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel einen weiteren Phasenmodulator4.2 auf, der im individuellen Lichtpfad des zweiten Lasers2 zwischen diesem und dem Koppler K3.1 angeordnet ist. Die beiden Laser1 ,2 sind thermisch abstimmbar und weisen Heizmittel9 auf. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Amplitudenmodulator5 zwischen dem Koppler K3.1 und dem Ausgang6 zur Einstellung der Leistung des Schwebungssignals angeordnet.
Claims (18)
- Anordnung zur elektro-optischen Ansteuerung und schnellen Modulation von THz-Sendern und THz-Messsystemen, mindestens aufweisend zwei einmodige Halbleiterlaser mit einer relativen Wellenlängen-Differenz zueinander zur Erzeugung von Schwebungssignalen mit der gewünschten THz-Frequenz und von denen mindestens einer elektrisch in der Wellenlänge abstimmbar ist, weiterhin aufweisend Mittel zur Überlagerung der beiden Laserwellen und zur Erzeugung von überlagerten Schwebungssignalen an zwei Ausgängen, wobei ein Schwebungssignal an einem Ausgang der Ansteuerung eines THz-Senders und ein anderes Schwebungssignal am anderen Ausgang der Ansteuerung eines Lokal-Oszillators im THz-Empfänger dient, sowie mindestens einem Mittel zur Einstellung der relativen Phasenlage der Schwebungssignale an den Ausgängen für THz-Sender bzw. Lokal-Oszillator zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel zur Einstellung der Phasenlage der Schwebungssignale ein elektrisch ansteuerbarerer Halbleiter-basierter Phasenmodulator (
4.1 ) für den spektralen Bereich einer Laserwelle ist, der in einem individuellen Lichtpfad zwischen einem der Laser (1 oder2 ) und dem Mittel (K3.1 oder K3.2) zur Überlagerung der beiden Laserwellen angeordnet ist, und mit dem die Phase der Laserwelle um wenigstens π elektrisch moduliert werden kann, und dass die zwei einmodigen Halbleiterlaser (1 ,2 ) über Wellenleiter (8 ) mit dem Mittel zur Überlagerung der beiden Laserwellen (K3.1, K3.2) und zur Erzeugung von überlagerten Schwebungssignalen an den beiden Ausgängen (6 ,7 ) sowie dem Phasenmodulator (4.1 ) verbunden und kompakt und phasenstabil auf einem Chip (10 ) angeordnet sind. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter (
8 ) derart angeordnet sind, dass die beiden Laserwellen aus je einer Seite der beiden Laser (1 ,2 ) mittels Strahlteilern (S3.1, S3.2) in zwei Teile aufgespalten und nach Durchgang eines Teilstrahls des ersten Lasers (1 ) durch den Modulator (4.1 ) mit einem Teilstrahl des zweiten Lasers (2 ) mittels Koppler (K3.1) überlagert und zum Ausgang (6 ) geleitet werden, und dass die anderen beiden Teilstrahlen, die den Phasenmodulator (4.1 ) nicht durchstrahlen, mittels Koppler (K3.2) überlagert und zum anderen Ausgang (7 ) geleitet werden. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiter (
8 ) derart angeordnet sind, dass beide Laserwellen aus beiden Seiten der zwei Laser (1 ,2 ) genutzt werden, so dass die Laserwellen aus einer Seite der beiden Laser (1 ,2 ) nach Durchgang einer Laserwelle des ersten Lasers (1 ) durch den Phasenmodulator (4.1 ) mit der Laserwelle des zweiten Lasers (2 ) mittels Koppler (K3.1) überlagert und zum Ausgang (6 ) geleitet werden, und die Laserwellen aus der anderen Seite der beiden Laser (1 ,2 ) mittels Koppler (K3.2) überlagert und zu dem anderen Ausgang (7 ) geleitet werden. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Phasenmodulator (
4.2 ) im individuellen Lichtpfad des zweiten Lasers (2 ) zwischen Laser (2 ) und Koppler (K3.2) integriert auf dem Chip (10 ) angeordnet ist. - Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem der Koppler (K3.1 oder K3.2) und dem angrenzenden Ausgang (
6 oder7 ) ein elektrisch ansteuerbarer Amplitudenmodulator (5 ) integriert auf dem Chip (10 ) angeordnet ist. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch der zweite Halbleiterlaser (
2 ) in der Wellenlänge elektrisch abstimmbar ist. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser rein elektronisch abstimmbare Laser sind.
- Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rein elektronisch abstimmbaren Laser DBR-Laser sind.
- Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser thermisch abstimmbar sind.
- Anordnung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenmodulator (
4.1 ;4.2 ) auf Brechungsindex-Änderung durch Ladungsträgerinjektion basiert. - Anordnung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenmodulator (
4.1 ;4.2 ) auf Brechungsindex-Änderung durch angelegte elektrische Felder basiert. - Anordnung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenmodulator (
4.1 ;4.2 ) mit hoher Frequenz um π modulierbar ist. - Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplitudenmodulator (
5 ) ein Halbleiterverstärker ist, dessen Verstärkung elektrisch variierbar und modulierbar ist. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Komponenten (
1 ,2 ,4.1 ,4.2 ,5 ) des Chips (10 ) auf dem Materialsystem III-V, vorzugsweise InGaAsP oder GaAlAs, basieren. - Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip (
10 ) monolithisch integriert ist im Materialsystem InGaAsP oder GaAlAs. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip (
10 ) hybrid integriert ist auf einer Si-Plattform. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Chip (
10 ) hybrid integriert ist auf einer Polymer-Plattform. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgängen (
6 ,7 ) des Chips (10 ) mit Glasfasern zur Einkopplung und weiteren Führung der Schwebungssignale verbunden sind.
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