DE19928971A1 - Mehrfachmantellichtleiter, dort eingeschriebenes Langperiodenlichtleitergitter, und zugehöriges Einschreibeverfahren - Google Patents

Mehrfachmantellichtleiter, dort eingeschriebenes Langperiodenlichtleitergitter, und zugehöriges Einschreibeverfahren

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Abstract

Es werden ein Mehrfachmantellichtleiter, ein in dieses eingeschriebenes Langperiodenlichtleitergitter, und ein zugehöriges Einschreibverfahren zur Verfügung gestellt. Der Mehrfachmantellichtleiter weist zum Führen von Licht einen Kern aus mit Germanium dotiertem Siliziumoxid (GeO¶2¶-SiO¶2¶) aus, einen inneren Mantel aus mit Fluor dotiertem Siliziumoxid (F-SiO¶2¶), wobei der innere Mantel einen kleineren Brechungsindex als der Kern aufweist und den Kern umgibt, sowie einen aus Siliziumoxid bestehenden äußeren Mantel, wobei der äußere Mantel einen Brechungsindex hat, der kleiner als jeder des Kerns und größer als jener des inneren Mantels, und den inneren Mantel umgibt. Daher kann ein optimierter Lichtleiter entworfen werden. Anders ausgedrückt kann ein Lichtleiter mit gewünschten Eigenschaften dadurch hergestellt werden, daß zumindest einer der folgenden Parameter eingestellt wird: Menge an F, die in den inneren Mantel eindotiert ist, Dicke des inneren Mantels, Menge an GeO¶2¶, die in den Kern eindotiert ist, Zusammensetzung von SiO¶2¶ in dem äußeren Mantel, und Zugspannung des Lichtleiters. Weiterhin wird der Brechungsindex des Kerns dadurch periodisch geändert, daß eine periodische Wärmebehandlung des Mehrfachmantellichtleiters durchgeführt wird, so daß ein spannungsfreies Langperiodenlichtleitergitter erhalten werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrfachmantellichtleiter ein Langperiodenlichtleitergitter in dem Mehrfachmantellichtleiter und zugehöriges Einschreibverfahren, und insbesondere einen Mehrfachmantellichtleiter, speziell einen Doppelmantellichtleiter, ein spannungsfreies Langperiodenlichtleitergitter, welches in den Lichtleiter eingeschrieben ist, und ein zugehöriges Einschreibverfahren.
Seit kurzem finden Langperiodenlichtleitergitter (LPFGs) erhebliche Beachtung in Bezug auf ihren möglichen Einsatz, beispielsweise als Filter mit flacher oder eingeebneter Verstärkungskurve für Verstärker mit Erbium-dotierten Lichtleitern. Die meisten LPFGs wurden in Germanium-Silikat-Licht­ leiter eingeschrieben, da periodische Strukturen einfach dadurch erhalten werden können, daß mittels UV hervorgerufene Brechungsindexänderungen verwendet werden, infolge der Lichtempfindlichkeit von durch Ge hervorgerufenen Glasfehlern. Diese Vorgehensweise erfordert es, daß Lichtleiter für LPFGs lichtempfindliche Orte enthalten müssen, und läßt sich daher nicht bei derartigen Lichtleitern einsetzen, die im Inneren keine Photoreaktionszentren aufweisen, beispielsweise bei Lichtleitern mit einem Kern aus reinem Siliziumoxid.
Fig. 1 erläutert ein Verfahren zur Herstellung eines allgemeinen Lichtleiters, wobei im einzelnen die Beziehung zwischen Restspannungen und dem Brechungsindex in einer Vorformstufe bei der Herstellung des Lichtleiters gezeigt ist, in einer Stufe, in welcher der Lichtleiter ausgezogen wurde, und in einer Stufe des wärmebehandelten Lichtleiters.
Im allgemeinen wird, wenn ein Siliziumoxidkern mit Fluor dotiert wird, der Brechungsindex des Kerns verringert, was zu dem dargestellten Profil des Brechungsindex führt. Darüber hinaus sind selbstverständliche mechanische Spannungen während der Vorformstufe vorhanden, infolge des Unterschieds der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kerns und des Mantels. Wenn ein Lichtleiter durch Ausziehen des Vorformlings hergestellt wird, wird eine mechanische Spannung in dem Kern hervorgerufen, und dessen Brechungsindex verringert. Anders ausgedrückt führt eine höhere Zugspannung zu einer Erhöhung der Spannungsbelastung in dem Kernbereich mit hoher Viskosität, infolge des photoelektrischen Effekts. Durch Wärmebehandlung des Lichtleiters lassen sich die Restspannungen einfach entfernen, und kehrt der Brechungsindex auf das Niveau in der Stufe des Vorformlings zurück.
Bei der Herstellung eines Langperiodenlichtleitergitters durch Wärmebehandlung eines Lichtleiters mit dem voranstehend geschilderten Aufbau wird, um die Eigenschaften des Langperiodenlichtleitergitters zu kontrollieren, die Menge an in dem Lichtleiter enthaltenem Fluor (F) oder die Zugspannung des Lichtleiters eingestellt. Allerdings ist es nicht einfach, in optimales Langperiodenlichtleitergitter nur durch Einstellung des Gehalts an Fluor (F) in dem Lichtleiter oder der Zugspannung des Lichtleiters zu erhalten.
Fig. 2 zeigt ein Verfahren zum Einschreiben von Langperiodenlichtleitergittern in einem herkömmlichen Lichtleiter. In Fig. 2 muß, damit Licht durch einen Kern geführt werden kann, der Brechungsindex des Kerns höher sein als jener des Mantels um den Kern herum. Das Langperiodenlichtleitergitter in Fig. 2 wird so eingeschrieben, daß ein Lichtleiter, der aus einem mit N2-dotierten Kern und einem Mantel aus SiO2 besteht, durch eine Bogenentladung oder die Strahlung eines CO2-Lasers wärmebehandelt wird. Da bei diesem Herstellungsverfahren N2 nach längerer Zeit aus dem Kern entweicht, kann jedoch die Verläßlichkeit von N2 beeinträchtigt werden.
Fig. 3 erläutert ein Verfahren zum Einschreiben von Langperiodenlichtleitergittern in einen anderen herkömmlichen Lichtleiter. In Fig. 3 muß wie in Fig. 2 der Brechungsindex des Kerns höher sein als jener des Mantels um den Kern herum. Das in Fig. 3 dargestellte Langperiodenlichtleitergitter wird so eingeschrieben, daß H2 in einen Lichtleiter eingebracht wird, der aus einem Kern aus SiO2-GeO2 und einem Mantel aus SiO2 besteht, und dann eine Bestrahlung mit einem UV-Laser vorgenommen wird. Allerdings ist bei diesem Herstellungsverfahren die Lebensdauer des Langperiodenlichtleitergitters nicht groß, und kann dessen Verläßlichkeit nicht sichergestellt werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung der voranstehenden Problem und in der Bereitstellung eines Mehrfachmantellichtleiters, der mehrere Mäntel aufweist, und bei welchem gewünschte Profile in Bezug auf die Wärmebelastung und die mechanische Belastung dadurch erhalten werden können, daß Brechungsindexprofile eines Kerns und von Mänteln geändert werden, sowie eines spannungsfreien Langperiodenlichtleitergitters, welches in den Mehrfachmantellichtleiter eingeschrieben ist, sowie eines Verfahrens zum Einschreiben eines Langperiodenlichtleitergitters in den Mehrfachmantellichtleiter.
Um die voranstehenden Ziele zu erreichen wird ein Mehrfachmantellichtleiter zur Verfügung gestellt, der einen Kern aufweist, der zum Führen von Licht dient und aus mit Germanium dotierten Siliziumoxid (GeO2-SiO2) hergestellt ist, einen inneren Mantel aufweist, der aus mit Fluor dotiertem Siliziumoxid (F-SiO2) hergestellt ist, wobei der Brechungsindex des inneren Mantels kleiner ist als jener des Kerns, und der innere Mantel den Kern umgibt, und einen aus Siliziumoxid bestehenden äußeren Mantel aufweist, wobei der äußere Mantel einen kleineren Brechungsindex als der Kern aufweist, einen größeren Brechungsindex als der innere Mantel, und den inneren Mantel umgibt.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Langperiodenlichtleitergitter zur Verfügung gestellt, bei welchem ein Lichtleiter, der einen Kern und einen Mantel aufweist, periodisch wärmebehandelt wird, und der Brechungsindex des Kerns periodisch geändert wird, wobei der Lichtleiter einen zum Führen von Licht dienenden Kern aufweist, der aus mit Germanium dotiertem Siliziumoxid (GeO2-SiO2) hergestellt ist, einen aus mit Fluor dotiertem Siliziumoxid (F-SiO2) bestehenden inneren Mantel aufweist, wobei der innere Mantel einen kleineren Brechungsindex als der Kern aufweist, und den Kern umgibt, und einen aus Siliziumoxid bestehenden äußeren Mantel aufweist, wobei der äußere Mantel einen kleineren Brechungsindex als der Kern und einen größeren Brechungsindex als der innere Mantel aufweist, und den inneren Mantel umgibt.
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Einschreiben eines Langperiodenlichtleitergitters zur Verfügung gestellt, welches folgende Schritte aufweist:
  • (1) Herstellung eines Mehrfachmantellichtleiters, der einen zum Führen von Licht dienenden Kern aufweist, der aus mit Germanium dotiertem Siliziumoxid (GeO2-SiO2) hergestellt ist, einen aus mit Fluor dotiertem Siliziumoxid (F-SiO2) bestehenden inneren Mantel, wobei der innere Mantel einen kleineren Brechungsindex als der Kern aufweist, und den Kern umgibt, und einen aus Siliziumoxid bestehenden äußeren Mantel, wobei der äußere Mantel einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als jener des Kerns und größer als jener des inneren Mantels, und den inneren Mantel umgibt, und
  • (2) periodisches Ändern des Brechungsindex des Kerns des Mehrfachmantellichtleiters durch periodische Wärmebehandlung des im Schritt (1) hergestellten Mehrfachmantellichtleiter.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 ein Verfahren zur Herstellung eines allgemeinen Lichtleiters;
Fig. 2 ein Verfahren zum Einschreiben von Langperiodenlichtleitergittern in einen herkömmlichen Lichtleiter;
Fig. 3 ein Verfahren zum Einschreiben von Langperiodenlichtleitergittern in einen anderen herkömmlichen Lichtleiter;
Fig. 4A und 4B im Querschnitt einen Mehrfachmantellichtleiter gemäß der vorliegenden Erfindung, und dessen Brechungsindexprofil;
Fig. 5 die Abhängigkeit der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Germaniumoxid (GeO2) und in dieses eindotierten Fluors (F) in Abhängigkeit von der Dotierungskonzentration;
Fig. 6 die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas im Festzustand und im flüssigen Zustand, in Abhängigkeit von der Temperatur des Glases;
Fig. 7 axiale Wärmespannungen eines Kerns in Abhängigkeit von der Änderung des Verhältnisses des Durchmessers des inneren Mantels zum Kerndurchmesser;
Fig. 8 Wärmespannungen eines Kerns in Abhängigkeit von der Differenz des relativen Brechungsindex zwischen dem Kern und dem äußeren Mantel;
Fig. 9 mechanische Restspannungen eines Kerns in Abhängigkeit von der Differenz des relativen Brechungsindex zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel;
Fig. 10 mechanische Restspannungen in Abhängigkeit vom Verhältnis des Durchmessers des inneren Mantels zum Kerndurchmesser; und
Fig. 11 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Einschreiben eines Langperiodenlichtleitergitters gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 4A zeigt eine Querschnittsansicht eines Mehrfachmantellichtleiters gemäß der vorliegenden Erfindung. Der in Fig. 4A dargestellte Mehrfachmantellichtleiter besteht aus einem Kern 40, einem inneren Mantel 42 und einem äußeren Mantel 44. Der Kern 40 führt Licht in Form eines Wellenleiters und besteht aus mit Germanium dotiertem Siliziumoxid (GeO2-SiO2). Der innere Mantel 42 umgibt den Kern 40 und besteht aus mit Fluor dotiertem Siliziumoxid (F-SiO2). Der äußere Mantel 44 umgibt den inneren Mantel 42 und besteht aus Siliziumoxid.
Fig. 4B zeigt ein Profil von Brechungsindizes des in Fig. 4A dargestellten Mehrfachmantellichtleiters. Wie aus Fig. 4B hervorgeht, ist der Brechungsindex des inneren Mantels 42 niedriger als jener des Kerns 42. Weiterhin ist der Brechungsindex des äußeren Mantels 44 niedriger als jener des Kerns 42, und höher als jener des inneren Mantels 42.
Die Fig. 5 bis 10 zeigen Parameter, welche die Eigenschaften eines Lichtleiters bei der Herstellung eines Mehrfachmantellichtleiters gemäß der vorliegenden Erfindung beeinflussen, und erläutern die Einflüsse dieser Parameter.
Fig. 5 erläutert die Abhängigkeit der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Germaniumoxid (GeO2) und Fluor (F) von ihren Konzentrationen. Wie aus Fig. 5 hervorgeht nimmt mit zunehmender Konzentration an GeO2 und F der Wärmeausdehnungskoeffizient von GeO2 zu, und jener von F ab.
Fig. 6 zeigt die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas im Festkörperzustand und im flüssigen Zustand in Abhängigkeit von der Temperatur des Glases. Wenn hierbei der Kern, der innere Mantel und der äußere Mantel als Schicht 1, 2 bzw. 3 bezeichnet werden, so sind α1, β2 und α3 der Wärmeausdehnungskoeffizient der Schicht 1, 2, bzw. 3 im Festkörperzustand des Glases, α*1, α*2 und α*3 der Wärmeausdehnungskoeffizient der Schicht 1, 2 bzw. 3 im Zustand des flüssigen Glases, und Tg1, Tg2 und Tg3 Glasübergangstemperaturen der Schicht 1, 2 bzw. 3, die in drei Temperaturbereichen vorhanden sind, also Tg1 < T < Tg3, Tg2 < T < Tg1, und T < Tg2.
Fig. 7 zeigt die Axialspannung eines Kerns in Abhängigkeit von der Änderung des Verhältnisses des Durchmessers des inneren Mantels zum Kerndurchmesser. Wie aus Fig. 7 hervorgeht wird selbst dann, wenn das Verhältnis des Durchmessers (D) des inneren Mantels zum Durchmesser (d) des Kerns, also D/d, unterschiedlich gewählt wird, eine geringe Änderung der Axialspannung des Kerns beobachtet.
Fig. 8 erläutert die Wärmespannung eines Kerns in Abhängigkeit von der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem äußeren Mantel, also Δ*. Hierbei erhält man Δ* durch Division der Differenz, die durch Subtraktion des Brechungsindex des äußeren Mantels von jenem des Kerns-erhalten wird, durch den Brechungsindex des äußeren Mantels, also (Kernbrechungsindex - Brechungsindex des äußeren Mantels)/Brechungsindex des äußeren Mantels. Wie aus Fig. 8 hervorgeht führt, wenn die relative Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem Innenmantel Δ auf 0,0035 festgelegt ist, und der Kerndurchmesser (d) fest ist, eine Erhöhung des Brechungsindex des Kerns, also eine Erhöhung von Δ*, zu einer linearen Zunahme der Wärmespannung des Kerns in Bezug auf ein vorgegebenes Verhältnis D/d. Anders ausgedrückt hängt die Wärmespannung nur vom Brechungsindex des Kerns ab, statt von jenem des inneren Mantels.
Fig. 9 erläutert die mechanische Restspannung eines Kerns in Abhängigkeit von der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel, Δ⁻. Hierbei erhält man Δ⁻ durch Division der Differenz, die durch Subtraktion des Brechungsindex des äußeren Mantels von jenem des inneren Mantels erhalten wird, durch den Brechungsindex des äußeren Mantels, also (Kernbrechungsindex-Bre­ chungsindex des äußeren Mantels)/Brechungsindex des äußeren Mantels. Wie aus Fig. 9 hervorgeht ändert sich, wenn der Wert von Δ⁻ zunimmt, also der Brechungsindex des inneren Mantels zunimmt, die Spannung von Druckspannung auf Zugspannung. Wenn in diesem Fall die Menge an Fluor (F) zunimmt, steigt der Brechungsindex des inneren Mantels an.
Fig. 10 erläutert die Abhängigkeit der mechanischen Restspannung vom Verhältnis des Durchmessers des inneren Mantels zum Kerndurchmesser, also D/d. Aus Fig. 10 wird deutlich, daß dann, wenn D/d zunimmt, die mechanische Restspannung sich von Druckspannung zur Zugspannung ändert. Wenn in diesem Fall die Dicke einer mit F-dotierten Schicht zunimmt, so nimmt D/d zu.
Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Lichtleiter mit den gewünschten Eigenschaften dadurch hergestellt werden, daß zumindest einer der voranstehend geschilderten Parameter eingestellt wird, also die Menge an F, die in dem inneren Mantel 42 enthalten ist, die Dicke des inneren Mantels 42, die Menge an GeO2, die in den Kern 40 eindotiert ist, die Zusammensetzung von SiO2 in dem äußeren Mantel 44, und die Zugspannung des Lichtleiters.
Durch periodische Wärmebehandlung des Mehrfachmantellichtleiters mit dem voranstehend geschilderten Aufbau kann ein spannungsfreies Langperiodenlichtleitergitter erhalten werden.
Fig. 11 zeigt schematisch ein Verfahren zum Einschreiben eines Langperiodenlichtleitergitters in den voranstehend geschilderten Mehrfachmantellichtleiter, wobei das Bezugszeichen 110 einen Mehrfachmantellichtleiter gemäß der vorliegenden Erfindung bezeichnet, das Bezugszeichen 112 eine Wärmebehandlungsvorrichtung, und das Bezugszeichen 114 den Kern des Mehrfachmantellichtleiters 110.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 das Verfahren zum Einschreiben des Langperiodenlichtleitergitters geschildert. Zuerst wird ein Mehrfachmantellichtleiter aus einem Material wie voranstehend geschildert hergestellt, der ein Brechungsindexprofil und gewünschte Eigenschaften aufweist, durch Einstellung der voranstehend geschilderten Parameter. Mit dem hergestellten Mehrfachmantellichtleiter 110 wird eine schrittweise Wärmebehandlung durchgeführt, um den Brechungsindex des Kerns 114 zu ändern. Eine Bogenentladung oder eine Bestrahlung mit einem CO2-Laser kann als die Wärmebehandlungsvorrichtung 112 eingesetzt werden. In Fig. 11 ist mit dem Bezugszeichen 116 ein Kern mit einem erhöhten Brechungsindex bezeichnet, infolge der Entfernung seiner Restspannungen durch Wärmebehandlung des Mehrfachmantellichtleiters 110 unter Verwendung der Wärmebehandlungsvorrichtung 112.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Lichtleiter herzustellen, der optimal für das Einschreiben eines Langperiodenlichtleitergitters in den Lichtleiter geeignet ist. Daher kann ein Lichtleiter mit gewünschten Eigenschaften dadurch hergestellt werden, daß derartige Parameter eingestellt werden wie die Menge an F, die Dicke eines mit F-dotierten inneren Mantels, die Menge an GeO2, die in einen Kern eindotiert ist, die Zusammensetzung von SiO2 in einem äußeren Mantel, und die Zugspannung des Lichtleiters. Weiterhin wird der Brechungsindex des Kerns des Lichtleiters dadurch periodisch geändert, daß der auf die geschilderter Art und Weise hergestellte Lichtleiter periodisch wärmebehandelt wird, wodurch ein spannungsfreies Langperiodenlichtleitergitter in den Lichtleiter eingeschrieben wird.

Claims (6)

1. Mehrfachmantellichtleiter, welcher aufweist:
einen zum Führen von Licht dienenden Kern aus mit Germanium-dotiertem Siliziumoxid (GeO2-SiO2);
einen inneren Mantel aus mit Fluor dotiertem Siliziumoxid (F-SiO2), wobei der innere Mantel einen kleineren Brechungsindex als der Kern aufweist und den Kern umgibt; und
einen äußeren Mantel aus Siliziumoxid, wobei der äußere Mantel einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als jener des Kerns und größer als jener des inneren Mantels, und den inneren Mantel umgibt.
2. Langperiodenlichtleitergitter, welches in einen Lichtleiter eingeschrieben ist, der einen Kern zum Führen von Licht aufweist, der aus mit Germanium­ dotiertem Siliziumoxid (GeO2-SiO2) besteht, einen inneren Mantel aus mit Fluor dotiertem Siliziumoxid (F-SiO2), wobei der innere Mantel einen kleineren Brechungsindex als der Kern aufweist und den Kern umgibt, und einen äußeren Mantel aus Siliziumoxid, wobei der äußere Mantel einen Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als jener des Kerns und größer als jener des inneren Mantels, und den inneren Mantel umgibt, wobei der Lichtleiter periodisch wärmebehandelt ist, und sich der Brechungsindex des Kerns periodisch ändert.
3. Mehrfachmantellichtleitergitter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften des Mehrfachmantellichtleiters dadurch eingestellt sind, daß zumindest einer der folgenden Parameter eingestellt ist: Menge an Fluor (F), die in den inneren Mantel eindotiert ist, Dicke des inneren Mantels, Menge an Germanium (GeO2), die in den Kern eindotiert ist, Zusammensetzung von Siliziumoxid (SiO2) in dem äußeren Mantel, und Zugspannung des Lichtleiters.
4. Verfahren zur Herstellung eines Langperiodenlichtleitergitters mit folgenden Schritten:
  • (1) Herstellung eines Mehrfachmantellichtleiters, der zum Führen von Licht einen Kern aus mit Germanium dotiertem Siliziumoxid (GeO2-SiO2) aufweist, einen aus mit Fluor dotiertem Siliziumoxid (F-SiO2) bestehenden inneren Mantel, wobei der innere Mantel einen kleineren Brechungsindex als der Kern aufweist und den Kern umgibt, und einen äußeren Mantel aus Siliziumoxid, wobei der äußere Mantel eines Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als jener des Kerns und größer als jener des inneren Mantels, und den inneren Mantel umgibt; und
  • (2) periodisches Ändern des Brechungsindex des Kerns des Mehrfachmantellichtleiters durch periodische Wärmebehandlung des im Schritt (1) hergestellten Mehrfachmantellichtleiters.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaften des im Schritt (1) hergestellten Mehrfachmantellichtleiters dadurch eingestellt werden, daß zumindest einer der folgenden Parameter eingestellt wird: Menge an Fluor (F), die in den inneren Mantel eindotiert ist, Dicke des inneren Mantels, Menge an Germanium (GeO2), die in den Kern eindotiert ist, Zusammensetzung von Siliziumoxid (SiO2) in dem äußeren Mantel, und Zugspannung des Lichtleiters.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung im Schritt (2) durch eine Bogenentladung oder eine Bestrahlung mit einem CO2-Laser durchgeführt wird.
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