JP2004341370A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単で製造しやすい構造でありながら、光ファイバと光電素子との光軸調芯の精度を高めることが可能な光モジュールを与える。
【解決手段】フレキシブルケーブル付き基板１０上に受光素子１２又は発光素子１６（光電素子と総称する）をフリップチップボンディング実装する。モジュール用光ファイバ２３を埋め込んだフェルール２１と、光電素子の光学軸がフェルールの端面とほぼ直角となるように、光電素子と前記フェルールの端面を近接させて光電素子と光ファイバとをアクティブアライメント法により直接光学結合させた状態で、フェルールの端面と基板を樹脂接着剤３２により固定する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信において光信号を受信又は送信する光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタリックケーブルに代わって高速大容量の情報を低損失で伝送できる光ファイバ通信が注目されるに伴い、光デバイスの低価格化と共に高性能化及び小型化が、近年、益々求められている。このため、電子回路と光ファイバとの接続を行う光受信（光電変換）又は光送信（電光変換）モジュール（以下、これらをまとめて単に「光モジュール」と言う）においては、光ファイバと受光素子又は発光素子との光軸調芯に高い精度が必要となる。
【０００３】
以下に従来の光モジュールについて説明する。
図４は、発光素子や受光素子（これらを一括して「光電素子」と称する）にレンズ光学系を用いてフェルール付き光ファイバと光結合した従来の光送信モジュールである（下記の特許文献１参照）。図４（Ａ）は、この光送信モジュールの分解図、図４（Ｂ）は、部分断面図である。図４において、キャンＬＤ（レーザダイオード）パッケージ５５内にレーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子５７をワイヤボンディング実装し、キャンＬＤパッケージ５５の蓋にレンズ５６を取り付け発光部を構成する。この発光部と、接続対象の光ファイバ側のＳＵＳ（ステンレス）部材５１と、ＳＵＳ部材付きフェルール５２と、フェルール５２を挿入するＳＵＳ部材５３と、ＳＵＳ部材５３と前記受光部とを接続するＳＵＳ部材５４とを組み立て、発光部の発光素子５７とレンズ５６からなる光学系と光ファイバ（図示せず）とでＸＹＺの３軸の調芯をした後、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ溶接により固定する。フェルール５２の一端は図のようにレセプタクル構造になっていて、外部光コネクタと着脱が容易な構造となっている。キャンＬＤパッケージ５５は、リード線５８を介して電気回路基板２に接続される。
【０００４】
図５は、フェルール付き光ファイバ６１と発光素子１６をレンズを用いずに直接結合する光モジュールの従来例を示す図である。図５（Ａ）は、この光モジュールの分解斜視図、図５（Ｂ）は、この光モジュールの接続例を示す斜視図である。図５において、発光素子１６は、シリコン基板６３上に高精度で形成された位置決めマーカ６４を基準にして、高精度ダイボンディングをする。フェルール付き光ファイバ６１の露出した先端部はシリコン基板６３上に形成されたＶ溝６５に沿って置き、ガラス基板６２を用いて固定する。Ｖ溝６５の深さと位置は、半導体プロセス技術を用いて、あらかじめ発光素子１６の実装位置に対して高精度に形成される。これにより部品の加工精度と実装精度で光軸調整が実現できる。このような方法はパッシブアライメント方法と呼ばれている。シリコン基板６３はパッケージ６６内に固定され、ボンディングワイヤで電気信号を接続する。フェルール付き光ファイバ６１は、変換光ファイバコード７０を介して外部の光コネクタ７２と接続できるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２１１９３７号公報（段落００２０、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４の第１の従来例の光モジュールはレンズなどの部品点数も多く組立工程が煩雑となっている。図５の光モジュールは、レンズを用いない単純な光学系であるが、ワイヤボンディングで実装されるため高周波特性が確保しにくい。また、光コネクタ着脱時には、光出力部のフェルールの端面にかかる応力が、パッケージのリード線にかかる構造となっているため、フェルールにかかる力が小さい特殊な光コネクタが必要となり、ＳＣコネクタなどの標準光コネクタ７２に変換する高価な変換光ファイバコード７０が必要となる。また、光ファイバ余長が必要となり装置の小型化が困難となる。
【０００７】
このように、光ファイバと受光素子又は発光素子との光軸調芯の精度を高めた種々の光モジュールが提案されているが、それぞれ問題がある。そこで、比較的簡単で製造しやすい構造でありながら、光ファイバと光電素子との光軸調芯の精度を高めることが可能な光モジュールが望まれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の光モジュールは、フレキシブルケーブル付き基板と、前記基板上に実装された光電素子と、光ファイバを埋め込んだフェルールと、前記光電素子の光学軸が前記フェルールの端面とほぼ直角となるように、前記光電素子と前記フェルールの端面を近接させて前記光電素子と前記光ファイバとを直接光学結合させた状態で、前記フェルールの端面と前記基板を固定する手段とを備えた構成である。この構成により、レンズが不要であるとともに、従来の光ファイバ芯線との接続に比べてファイバの端面の欠けなどがなく強度の高い光学系を有する光モジュールが実現できる。ここで、直接光学結合をアクティブアライメントによって行うことにより、高精度の光軸調芯が実現できる。
【０００９】
請求項２に記載の光モジュールは、前記光電素子を表面入射型受光素子又は面発光型発光素子とした構成を有する。この構成により、筐体が不要で、表面入射型受光素子又は面発光素子との光結合が容易となる。
【００１０】
請求項３に記載の光モジュールは、前記光電素子が裏面入射型受光素子で、前記基板上にフリップチップ実装される構成を有する。これにより、受光素子とファイバ距離をより近接させることができ、光結合効率が高くできるとともに、フリップチップ実装により高周波特性が向上する。
【００１１】
請求項４に記載の光モジュールは、前記光電素子に固定される前記フェルールの端面の表面積を大きくする部品が前記フェルールの外周に嵌め込まれている構成を有する。これにより、前記光電素子が実装されているフレキシブルケーブル付き基板とフェルールの固定面積を大きくすることができ固定強度が増す。
【００１２】
請求項５に記載の光モジュールは、前記フェルールの前記光電素子が固定される部分と反対側の部分がレセプタクル構造となっている構成を有する。これにより、小型の光モジュールが実現できる。また、フレキシブルケーブルを用いているので光学固定部は光コネクタ着脱時の応力の影響を受けない。
【００１３】
請求項６に記載の光モジュールは、前記固定する手段を光学性の樹脂とした構成を有する。これにより、構造を単純化することができる。
【００１４】
請求項７に記載の光モジュールは、請求項１において、前記光電素子が側面出射又は側面入射型であり、前記固定する手段が割スリーブを含み、前記フェルールが前記割スリーブを挿入され、前記光電素子の光軸が前記割スリーブの縦軸付近に位置するように前記基板が前記割スリーブの割り部から挿入されて配置固定されている構成を有する。これにより、フレキシブルケーブル付き基板のサイズをフェルールの内径よりも大きくすることができる。
【００１５】
請求項８に記載の光モジュールは、請求項７において、前記固定する手段が、軸方向に基板挿入溝を備えたほぼ円筒状の部材を更に含み、前記基板が前記部材の前記基板挿入溝に固定された後、更に前記割スリーブ内部に挿入固定される構成を有する。これにより、発光素子又は受光素子の調整範囲を狭くできるとともに、固定用接着剤の量を少なくすることができるので樹脂の硬化収縮や熱膨張などに起因する、光軸ずれを抑制することができる。
【００１６】
請求項９に記載の光モジュールは、請求項７において、前記固定する手段が、前記配置固定を行うために前記割スリーブ内に充填された樹脂接着剤を更に含む構成を有する。これにより、光軸の温度変動を小さくすることができる。
【００１７】
請求項１０に記載の光モジュールは、前記割スリーブが金属製である。これにより、光電素子が金属スリーブでほぼ覆われた構造となり、電気的遮蔽が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例と添付図面により本発明を詳細に説明する。
なお、複数の図面に同じ要素を示す場合には同一の参照符号を付ける。
【００１９】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態による光モジュールの全体像を示す図である。図１において、光モジュール１は、一端に簡易ＳＣコネクタ部材２２を備えることにより接続対象のフェルール付き光ファイバ４と接続することができ、他端にフレキシブルケーブル１１を備えることにより電気回路基板２上に取り付けられたフレキシブルケーブル用電気コネクタ３に接続することができる。本発明の第１の実施の形態は、光送信モジュール及び光受信モジュールのいずれにも適応可能であるが、ここでは、光受信モジュールを例にとって説明する。図２（Ａ）は、光モジュール１の一部を展開した図であり、図２（Ｂ）は、受光素子１２及びその周辺を拡大した図である。以下、組み立て工程に沿って光モジュール１の構造を説明する。
【００２０】
図２（Ａ）上部に示すように、モジュール用光ファイバ２３が埋め込まれたフェルール２１を円筒状のＳＵＳ補強部材２０に圧入してフェルール２１のアセンブリとし、フェルール２１の圧入した方の端面を８度研磨する。ＳＵＳ補強部材２０としては、ステンレスの代わりに同じ形状の樹脂部品を用いてもよい。一方、前述のフレキシブルケーブル１１付きの基板１０上には、フォトダイオード（ＰＤ）などの裏面入射型の受光素子１２及びプリアンプ１３がフリップチップ実装される。図２（Ｂ）に示すように、裏面入射型の受光素子１２は、ＰＮ電極面が共に表面（Ｐａ）にあり、ＰＮ電極がない方の面（すなわち、裏面Ｐｂ）から入射する光を受光する。裏面入射型の受光素子１２は、半田で形成した突起電極、すなわち、半田バンプ１５などを介してフレキシブルケーブル付き基板１０上にフリップチップ実装される。
【００２１】
次に、８度研磨したモジュール用光ファイバ２３の端面から光を出射させると同時に受光素子１２を流れる光電流を監視しながら、フェルール２１のアセンブリを受光素子１２の裏面Ｐｂに近づけ、モジュール用光ファイバ２３の端面から出射する光により受光素子１２を流れる光電流が最大となるようにＸＹ軸を調整し（アクティブアライメント）、ＵＶ硬化樹脂などの光学接着剤で固定する。前述のように裏面入射型の受光素子１２をフレキシブルケーブル付き基板１０上にフリップチップ実装することにより、ボンディングワイヤなどがないためフェルール２１のアセンブリを受光素子１２の裏面に十分接近させることができるので、レンズがなくても高い光結合効率が確保できる。また、固定用光学樹脂をフレキシブルケーブル付き基板１０の表面とフェルール２１の端面及びＳＵＳ補強部材２０との間に広く充填させることで、接触面積を大きくすることができ、受光素子１２の結合部の機械強度が向上する。また、受光素子１２全体が樹脂で覆われる構造となるため耐湿性が確保できる。更に受光素子１２をフリップチップ実装した後、受光素子１２とフレキシブルケーブル付き基板１０の間を封止樹脂で充填しておけば耐湿性が一層向上する。
【００２２】
なお、フレキシブルケーブル付き基板１０とフェルール２１を固定するための光学接着剤は、硬化時間が短いＵＶ硬化樹脂を用いることが望ましい。しかし、フェルール２１がガラス製などでない場合はＵＶ光が当たらない部分が存在するので、ＵＶ硬化と熱硬化併用型の樹脂を用いる。ＵＶ光が当たる領域を大きくするため、ＳＵＳ補強部材２０としてステンレス部品の代わりにＵＶ光に対して透明な樹脂部品などを用いれば、ＵＶ硬化が容易となる。受光素子１２とプリアンプ１３が実装されたフレキシブルケーブル付き基板１０は、フレキシブルケーブル１１を９０度曲げ、光モジュールを制御する電気回路基板２上に、フレキシブルケーブル用電気コネクタ３を介して接続する。フレキシブルケーブル１１は５０Ωに設計されたマイクロストリップラインの出力信号ラインを含む多層構造になっていて高周波電気信号を低損失で伝達させることができる。フェルール２１のＳＵＳ補強部材２０を装着していない方の端部には、簡易ＳＣなどの光コネクタアダプタが直接接続できる簡易ＳＣコネクタ部材２２が圧入されていてレセプタクル構造となっている。フレキシブルケーブル１１を用いることによって、コネクタ着脱時に受光素子１２とモジュール用光ファイバ２３の光学系には応力がかからない構造となっている。したがって、光コネクタアダプタは、装置の筐体に固定することもできるし、又は電気回路基板上に固定することも可能である。
【００２３】
以上は裏面入射型の受光素子１２を用いた光受信モジュールの場合であるが、代わりに面発光レーザを用いて、光送信モジュールを構成することもできる。この場合、プリアンプ１３は、レーザドライバＩＣで置き換えることになる。
【００２４】
＜第２の実施の形態＞
次に本発明の第２の実施の形態による光モジュールについて説明する。図３は、ファブリーペローレーザや分布帰還型レーザなどの側面出射型発光素子（すなわち、レーザダイオード（ＬＤ））を用いた光送信モジュールの斜視図である。図３（Ａ）は、その外観斜視図であり、図３（Ｂ）は分解斜視図である。図３（Ａ）に示すように、光モジュール１００は、一端に簡易ＳＣコネクタ部材２２を備えることにより先端にフェルールを装着した接続対象のフェルール付き光ファイバ４と接続することができ、他端にフレキシブルケーブル１１を備えることにより図１の場合と同様に電気回路基板上に取り付けられたコネクタに接続することができる。側面出射型発光素子の代わりに側面入射型の受光素子を用いて光受信モジュールを構成することもできる。ここでは、光送信モジュールを例にとって第２の実施の形態を説明する。
【００２５】
フレキシブルケーブル１１付き基板１０ａ上に側面出射型のレーザダイオード（ＬＤ）などの発光素子１６、モニタ用ＰＤ１７、レーザドライバなどの発光素子駆動用ＩＣ１８を実装する。発光素子１６にスポットサイズ変換型ファブリーペローレーザを用いれば、より高い結合効率が実現できる。モニタ用ＰＤ１７は側面入射型の受光素子であり、発光素子１６の後方からの出射光の一部を受光できる位置に実装する。発光素子駆動用ＩＣ１８は、フレキシブルケーブル付き基板１０ａ上ではなく電気回路基板２上に設けてもよいが、高周波特性を向上させるためには、発光素子１６にできるだけ近い位置に配置することが望ましい。フェルール２１は、第１の実施の形態で使用されたものと同じ構造のものである。フレキシブルケーブル付き基板１０ａ上に実装された発光素子１６は側面入射型であるから、フレキシブルケーブル付き基板１０ａと光軸が平行になるように配置する。発光素子１６を発光させた状態でフレキシブルケーブル付き基板１０ａ上の発光素子１６をファイバの端面に近づけて、レンズを用いることなく、アクティブアライメント調整をして、樹脂（この例の場合、図３（Ａ）の支持部材３１と樹脂接着剤３２に相当する）を用いて固定する。
【００２６】
ここで、フレキシブルケーブル付き基板１０ａの固定方法について説明する。フレキシブルケーブル付き基板１０ａとフェルール２１の位置関係が第１の実施の形態に比べて固定しにくいので固定強度を高めるため、割スリーブ３０を利用する。フェルール２１を割スリーブ３０に挿入した後、フレキシブルケーブル付き基板１０ａを割スリーブ３０の割スロットから挿入し、モジュール用光ファイバ２３と発光素子１６との光軸調芯をアクティブアライメント法で行った後、割スリーブ３０とフレキシブルケーブル付き基板１０ａの間を接着剤で充填させた状態で固定する。図３（Ａ）のようにフレキシブルケーブル付き基板１０ａを割スリーブ３０の割り部から外にはみ出させることで、フレキシブルケーブル付き基板１０ａのサイズを自由に大きくすることが可能である。このような固定方法により、フレキシブルケーブル付き基板１０ａとフェルール２１を割スリーブ３０と接着剤で固定することにより、フレキシブルケーブル付き基板１０ａの固定部分の体積を大きくすることができるので、光軸調芯の精度を長期にわたり維持することができる。例えば、垂直方向の曲げ応力に対して割スリーブ３０が補強材として機能するため、光ファイバの光軸に対して光軸ずれが生じにくい。また、固定接着剤が発光素子１６を中心に円筒形状となっているため、接着剤の熱膨張収縮による発光素子１６の位置の変動が少ない。
【００２７】
しかし、接着剤の硬化収縮によるずれを更に小さくするためには、フレキシブルケーブル付き基板１０ａと割スリーブ３０との固定に、図３（Ｂ）に示すような円筒に基板挿入溝を設けた樹脂成形支持部材３１などを用いる方が好ましい。ここでは、支持部材３１として安価な樹脂を用いているが他の材質を用いてもよい。まず、フレキシブルケーブル付き基板１０ａを支持部材３１の溝に挿入して固定する。次に、支持部材３１ごと割スリーブ３０の中に挿入し発光素子１６とファイバ２３の調芯を行う。発光素子１６が支持部材３１の円筒のほぼ中心位置に配置されているので、光軸調整がしやすくなる。また、支持部材３１と割スリーブ３０の隙間に入れる樹脂接着剤３２の厚さを薄くすることができるので、硬化収縮時の位置ずれを抑制できる。
【００２８】
支持部材３１に透明な材料を用いると割スリーブ３０の側面から紫外線光を照射することができるので、よりＵＶ固定がしやすくなる。
また、固定に関して発光素子１６とモジュール用光ファイバ２３の端面付近ではＵＶ熱併用型硬化接着剤を用いて、それ以外の部分には、ガラスフィラーなどが入った熱膨張率が小さい接着剤を用いることで、温度変動に対して発光素子１６の光軸ずれが更に抑制できる。
割スリーブ３０として、リン青銅製などの金属スリーブを用いることで、発光素子の電気シールド効果が得られる。
なお、フェルール２１の外形精度に合わせた市販の割スリーブ３０を用いてもよいが、同一形状で剛性の高い部品であれば市販の割スリーブ３０である必要はない。
【００２９】
以上は、本発明の説明のために実施の形態の例を掲げたに過ぎず、本発明の技術思想又は原理に沿って上述の実施の形態に種々の変更、修正又は追加を行うことは、当業者には容易である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光電素子を光ファイバが埋め込まれたフェルールの端面に近接させて光ファイバの端面と直接光学結合させてパッシブアライメントした後、フェルールの端面に光学樹脂により固定するので、レンズを用いない比較的簡単な構造で高い光軸調芯精度を有し、かつ従来のファイバ芯線との接続に比べてファイバの端面の欠けなどがない高強度の光学系を備えた光モジュールを実現することができる（請求項１）。
【００３１】
また、光電素子を表面入射型受光素子又は面発光型発光素子とすれば（請求項２）、筐体が不要な簡易光学系でありながら、光電素子とファイバとを近接させることができ、光結合効率が高くできるとともに高周波特性が向上する。
【００３２】
また、前記受光素子を裏面入射型として、フレキシブルケーブル付き基板上にフリップチップ実装すれば（請求項３）、受光素子を基板に接続するボンディングワイヤが不要となるので、高周波特性が向上する。
【００３３】
また、前記フェルールの端面の表面積を大きくする部品をフェルールの外周に嵌め込むことで、前記光電素子が実装されている基板とフェルールの固定強度が増す（請求項４）。
【００３４】
また、前記フェルールの光電素子に固定される部分と反対側の部分をレセプタクル構造とすることにより、小型の光モジュールが実現できる。また、フレキシブルケーブルを用いているので光学系は光コネクタ着脱時の応力の影響を受けない（請求項５）。
【００３５】
また、前記の光学素子を含む基板と前記フェルールとを光学性の樹脂で直に接着すれば、構造を簡単にできる（請求項６）。
【００３６】
また、光電素子に側面出射又は側面入射型を用い、フェルールを割スリーブに挿入し、前記光電素子の光軸が前記割スリーブの縦軸付近に位置するように前記基板を前記割スリーブの割り部から挿入して配置固定すれば、フレキシブルケーブル付き基板のサイズをフェルールの内径よりも大きくすることができる（請求項７）。
【００３７】
また、軸方向に基板挿入溝を備えたほぼ円筒状の部材を更に備え、前記基板を前記部材の前記基板挿入溝に固定した後、更に前記割スリーブ内部に挿入固定すれば、発光素子又は受光素子の調整範囲を狭くできるとともに、固定用接着剤の量を少なくすることができるので樹脂の硬化収縮や熱膨張などに起因する、光軸ずれも抑制することができる（請求項８）。
【００３８】
また、前記の配置固定を行うために割スリーブ内に樹脂接着剤を充填し、更にその周囲を熱膨張率が小さい補強用樹脂で固定することで、温度変動を小さくすることができる（請求項９）。
【００３９】
また、前記割スリーブを金属製とすることにより、光電素子が金属スリーブでほぼ覆われる構造となるので、電気的シールドが実現できる（請求項１０）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光モジュールの全体像を示す図
【図２】図２（Ａ）は、光モジュール１の一部を展開した図、図２（Ｂ）は、受光素子１２及びその周辺を拡大した図
【図３】本発明の第２の実施の形態による光モジュールを示す図であり、図３（Ａ）は外観斜視図、図３（Ｂ）は分解斜視図
【図４】第１の従来例の光モジュールの構成図であり、図４（Ａ）は分解図、図４（Ｂ）は部分断面図
【図５】第２の従来例の光モジュールの構成図であり、図５（Ａ）は分解斜視図、図５（Ｂ）は接続例を示す斜視図
【符号の説明】
１、１００ 光モジュール
２ 電気回路基板
３ フレキシブルケーブル用電気コネクタ
４ 接続対象のフェルール付き光ファイバ
１０、１０ａ フレキシブルケーブル付き基板
１１ フレキシブルケーブル
１２ 受光素子
１３ プリアンプ
１４ 受光部
１５ 半田バンプ
１６ 発光素子
１７ モニタ用ＰＤ
１８ 発光素子駆動用ＩＣ
２０ ＳＵＳ補強部材
２１ フェルール
２２ 簡易ＳＣコネクタ部材
２３ モジュール用光ファイバ
３０ 割スリーブ
３１ 支持部材
３２ 樹脂接着剤

Claims (10)

1. フレキシブルケーブル付き基板と、前記基板上に実装された光電素子と、光ファイバを埋め込んだフェルールと、前記光電素子の光学軸が前記フェルールの端面とほぼ直角となるように、前記光電素子と前記フェルールの端面を近接させて前記光電素子と前記光ファイバとを直接光学結合させた状態で、前記フェルールの端面と前記基板を固定する手段とを備えた光モジュール。
2. 前記光電素子が表面入射型受光素子又は面発光型発光素子であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記光電素子が裏面入射型受光素子で、前記基板上にフリップチップ実装されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
4. 前記光電素子に固定される前記フェルールの端面の表面積を大きくする部品が前記フェルールの外周に嵌め込まれていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光モジュール。
5. 前記フェルールの前記光電素子が固定される部分と反対側の部分がレセプタクル構造となっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光モジュール。
6. 前記固定する手段が光学性の樹脂であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光モジュール。
7. 前記光電素子が側面出射又は側面入射型であり、前記固定する手段が割スリーブを含み、前記フェルールが前記割スリーブを挿入され、前記光電素子の光軸が前記割スリーブの縦軸付近に位置するように前記基板が前記割スリーブの割り部から挿入されて配置固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
8. 前記固定する手段が、軸方向に基板挿入溝を備えたほぼ円筒状の部材を更に含み、前記基板が前記部材の前記基板挿入溝に固定された後、更に前記割スリーブ内部に挿入固定されることを特徴とする請求項７に記載の光モジュール。
9. 前記固定する手段が、前記配置固定を行うために前記割スリーブ内に充填された樹脂接着剤を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の光モジュール。
10. 前記割スリーブが金属製であることを特徴とする請求項８又は９に記載の光モジュール。

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