JP2005019546A - 半導体レーザの送信制御回路 - Google Patents

Abstract

【解決手段】半導体レーザＬＤの光出力を検出するフォトダイオードＰＤと、温度センサ６１によって検出された温度に応じて半導体レーザＬＤの消光比が望む値になるようにバイアス電流を変化させる温度制御回路６と、フォトダイオードＰＤにより検出された光出力検出値が目標値になるように半導体レーザの変調電流を制御する制御部５とを備える。
【効果】フィードフォワード制御によりバイアス電流を設定し、かつフィードバック制御により半導体レーザの変調電流を制御することにより、送信平均光出力を目標値にすることができ、かつ所望の消光比が得られる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いられる半導体レーザの送信制御回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に用いられる半導体レーザは、図１１に示すような電流−光出力特性を持っている。図１１の横軸は半導体レーザに流される電流を示し、縦軸は光出力を示す。図１１には温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）に対応して、グラフ１，２が表示されている。温度Ｔ１に対応するグラフ１において、Ｉｂ０は変調信号が０のときでも流されるバイアス電流であり、Ｉｍ０は変調電流である。Ｉｍ０を変調データ０，１の間で変化させて、Ｐ０〜Ｐ１の光出力が得られる。ｒ＝Ｐ１／Ｐ０を消光比、ＰＭ＝（Ｐ１＋Ｐ０）／２を送信平均光出力という。
【０００３】
温度Ｔ２に対応するグラフ２においては、Ｉｂ１がバイアス電流であり、Ｉｍ１が変調電流となる。
温度が変化しても一定の送信平均光出力が得られるように、バイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍを制御する必要がある。
従来、フィードバック制御といわれる制御方法では、半導体レーザから発光される送信平均光出力をモニタして、この送信平均光出力が目標値になるように、バイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍを変化させている。変化のルールは、バイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍとの差Ｉｍ−Ｉｂを一定に保ちながら、バイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍとを変化させるか、バイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍとの比Ｉｍ／Ｉｂを一定に保ちながら、バイアス電流Ｉｂと変調電流Ｉｍとを変化させるか、であった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３５２１２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１１に示すように、半導体レーザの電流−光出力特性は線形といえないので、これらのフィードバック制御方法では、送信平均光出力は一定にできても、消光比Ｐ１／Ｐ０を正確な所望の値に選ぶことはできないという問題がある。
特に、半導体レーザの電流−光出力特性の非線形性が目立つ例として、ＦＧＬ（Ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）がある。
【０００６】
前記消光比Ｐ１／Ｐ０は、常に大きな値がよいとは限らない。伝送実験では、光ファイバの伝送距離が数十ｋｍ以下なら消光比は大きいほうが感度よく受信できるが、伝送距離が百ｋｍ以上になれば消光比が低いほうがよいという結果が現われている。これはギガヘルツ以上の高速光変調時には、長距離伝送になるほど、光の波長が動的にシフトするチャーピングの影響が現われるためと考えられる。
このように消光比を正確に設定することは、送信平均光出力の制御とともに重要である。
【０００７】
フィードバック制御で、送信光出力だけでなく、消光比を同時に制御する試みもあるが、この場合、前記特許文献１に示されるように、変調データに対応する光パワーを検出する専用回路を設ける必要があり、回路構成が複雑になることから、実用的でない。
前記フィードバック制御以外に、フィードフォワード制御も提案されている。この制御は、送信平均光出力と消光比とを予めテーブルにして保有しておき、温度に応じてこのテーブルを参照してバイアス電流Ｉｂ、変調電流Ｉｍを決定する。
【０００８】
このフィードフォワード制御では、送信平均光出力と消光比との設定が可能であるが、使用する半導体レーザの経年特性変化、電源電圧の変動などに適応できず、光出力が変化するという欠点がある。
そこで、送信平均光出力、消光比を所望の値に設定できるとともに、半導体レーザの経年特性変化、電源電圧の変動などにも適応して送信平均光出力を一定に保つことができる半導体レーザの送信制御回路が求められている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザの送信制御回路は、温度センサと、光出力検出素子と、温度センサによって検出された温度に応じて消光比が望む値になるようにバイアス電流を変化させる第１の制御手段と、光出力検出素子により検出された光出力検出値が目標値になるように半導体レーザの変調電流を制御する第２の制御手段とを備えるものである。
【００１０】
前記の構成によれば、第１の制御手段により、温度センサによって検出された温度に応じて消光比が望む値になるようにバイアス電流を変化させる。このバイアス電流は、温度の関数としてあらかじめわかっているものである。そして、第２の制御手段によって、光出力検出素子により検出された光出力検出値が所定の値になるように半導体レーザの変調電流を制御する。
このように、フィードフォワード制御によりバイアス電流を設定し、かつフィードバック制御により半導体レーザの変調電流を制御することにより、光出力パワーを一定にすることができ、かつ初期設定時において所望の消光比が得られる。
【００１１】
前記第１の制御手段は、光出力検出素子により検出された光出力検出値に応じてバイアス電流を変化させる制御過程を備え、この制御過程中で、前記温度センサによって検出された温度に基づくバイアス電流の調整を行う前記温度センサによって検出された温度に基づく制御ゲインを行うものであってもよい。
この構成は、半導体レーザの変調電流だけでなく、バイアス電流もフィードバック制御により設定する。そして、バイアス電流のフィードバック制御の中で、温度に基づくバイアス電流の調整を行う。このバイアス電流のフィードバック制御により、半導体レーザの経年特性変化、電源電圧の変動などに対応できないフィードフォワード制御の欠点を緩和することができ、さらに所望の消光比が得られるように、温度に基づくバイアス電流の調整を行うことができる。
【００１２】
また本発明の半導体レーザの送信制御回路は、温度センサと、半導体レーザの光出力検出素子と、温度センサによって検出された温度に応じて消光比が望む値になるような変調電流を設定する第３の制御回路と、光出力検出素子により検出された光出力検出値が目標値になるように半導体レーザのバイアス電流を制御する第４の制御回路とを備える。
この構成によれば、第３の制御回路により、温度センサによって検出された温度に応じて消光比が望む値になるように変調電流を変化させる。この変調電流は、温度の関数としてあらかじめわかっているものである。そして、第４の制御回路によって、光出力検出素子により検出された光出力検出値が目標値になるように半導体レーザのバイアス電流を制御する。
【００１３】
このように、フィードフォワード制御により変調電流を設定し、かつフィードバック制御により半導体レーザのバイアス電流を制御することにより、光出力パワーを一定にすることができ、かつ初期設定時において所望の消光比が得られる。
前記第３の制御回路は、光出力検出素子により検出された光出力検出値に応じて変調電流を変化させる制御過程を備え、この制御過程中で、前記温度センサによって検出された温度に基づく変調電流の調整を行うものであってもよい。この構成は、半導体レーザのバイアス電流だけでなく、変調電流もフィードバック制御により設定する。そして、変調電流のフィードバック制御の中で、温度に基づく変調電流の調整を行う。
【００１４】
この変調電流のフィードバック制御により、半導体レーザの経年特性変化、電源電圧の変動などに対応できないフィードフォワード制御の欠点を緩和することができ、さらに所望の消光比が得られるように、温度に基づく変調電流の調整を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
−第１の実施形態−
図１は、本実施の形態における半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。半導体レーザの送信制御回路は、光信号を送出する半導体レーザＬＤに、バイアス電流Ｉｂを供給するバイアス電流源２と、変調電流Ｉｍを供給する変調電流源３とが接続されている。変調電流Ｉｍをオンオフする信号は、変調回路（図示せず）で作られ、半導体レーザＬＤと変調電流源３との間に挿入されたスイッチング用ＦＥＴ４に供給される。半導体レーザＬＤの出力光は、その照射端から出射し光ファイバ（図示せず）に入力され、光ファイバを伝搬して相手方の局で受信される。この半導体レーザＬＤの出力光を検出するモニタ用フォトダイオードＰＤが、半導体レーザＬＤの出力光を検出できる位置（反対側の照射端など）に設置されている。
【００１６】
フォトダイオードＰＤの検出光電流は、電圧信号に変換され、制御部に入力される。制御部５は、平均光出力検出部５１と、制御出力部５２とを備えている。平均光出力検出部５１は、例えば積分回路からなり、半導体レーザＬＤの光出力の平均値を検出する。制御出力部５２は、平均光出力検出部５１により検出された出力光の平均値を出力する。この出力光の平均値に基づいて、半導体レーザＬＤの送信平均光出力を目標値にするように、変調電流Ｉｍの振幅が制御される。その制御のゲインをＭで表す。
【００１７】
一方、半導体レーザの送信制御回路には温度制御回路６が備えられている。温度制御回路６は、サーミスタなどの温度センサ６１を含んでいる。そして、温度センサ６１の温度読取値に基づいて最適なバイアス電流を設定するためのテーブルがＲＯＭの中に用意されている。テーブルには、温度Ｔ１，Ｔ２・・・に応じて、所望の消光比が得られるような、バイアス電流Ｉｂが規定されている。このバイアス電流Ｉｂの値が、制御入力Ａ（Ｔ）としてバイアス電流源２に入力される。
【００１８】
例えば送信平均光出力の目標値をＰＭとすると、所望の消光比がｒであれば、光出力の最低値Ｐ０は、
Ｐ０＝２ＰＭ／（１＋ｒ） （１）
で表わされる。テーブルは、この光出力Ｐ０を与えるバイアス電流値Ｉｂを、温度に対して設定している。図１１のグラフを例にとると、温度Ｔ１に対するバイアス電流値はＩｂ０であり、温度Ｔ２に対するバイアス電流値はＩｂ１となる。ＣＰＵは、このバイアス電流Ｉｂをバイアス電流源２に設定する。
【００１９】
以上の制御により、目標値とする送信平均光出力ＰＭが得られ、かつ所望の消光比が得られる。
以上の本実施の形態では、バイアス電流Ｉｂの制御にはフィードフォワード制御を採用し、半導体レーザＬＤの変調電流Ｉｍの制御にはフィードバック制御を採用している。したがって、最適な変調電流Ｉｍが、フィードバック制御により得られるから、半導体レーザＬＤの経年特性変化、電源電圧の変動などに対して、送信平均光出力を一定にできる。
【００２０】
図２は、テーブルの読み取り値に基づいてバイアス電流源２を制御する温度制御回路６の具体的な回路図であり、温度センサ６１の読み取り値に基づいて、ＲＯＭ内のテーブルの値Ａ（Ｔ）が読み出され、可変抵抗器により抵抗値に変換される。そして、この抵抗値に応じた電圧が選択され、制御電圧としてバイアス電流源２に入力される。
前記図２の回路では、制御電圧は電源電圧の変動の影響を直接受ける。そこで、電源電圧の変動の影響を避けるため定電圧レギュレータを用いたのが、図３の回路である。定電源電圧に基づいて、テーブルの読み取り値Ａ（Ｔ）に対応する最適な電圧が設定され、その電圧が演算増幅器（図示せず）を通してバイアス電流源２に供給される。
【００２１】
図４は、本実施の形態の変更例にかかる半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。光信号を照射する半導体レーザＬＤに、バイアス電流Ｉｂを供給するバイアス電流源２と、変調電流Ｉｍを供給する変調電流源３とが接続されている。変調電流Ｉｍをオンオフする信号は、変調回路（図示せず）から供給される。半導体レーザＬＤの出力光をモニタするモニタ用フォトダイオードＰＤが、半導体レーザＬＤの出力光を検出できる位置に設置されている。
【００２２】
フォトダイオードＰＤによって半導体レーザＬＤの出力光を検出し、平均光出力検出部５１によって、光出力の平均値を検出し、この平均値に基づいて、半導体レーザＬＤの送信平均光出力を目標値にするように、変調電流Ｉｍの振幅を制御するのは、図１の回路と同じである。
この図４の回路では、制御出力部５２の出力値と目標値との差に応じて、ループゲインＮを介してバイアス電流Ｉｂも制御している。このときに、温度センサ６１で読み取られた温度に基づく調整要素Ａ（Ｔ）をバイアス電流制御ループの中に入れている。
【００２３】
このため、フィードバックに基づくバイアス電流制御に、温度に対する依存性を付加した調整要素Ａ（Ｔ）を導入した形となり、温度変動に対する応答性が高められる。
この調整方法を説明すると、最初Ａ（Ｔ）＝１とおいて回路動作させ、半導体レーザＬＤの送信平均光出力が目標値になるようにフィードバック制御する。このとき消光比は、必ずしも所望の値になっていないので、所望の値になるようにＡ（Ｔ）を微調整していく。消光比が所望の値になった時点で、そのときの温度のＡ（Ｔ）をテーブルに書き込む。なお、Ａ（Ｔ）単独でなく、Ａ（Ｔ）×Ｎの形でテーブルに書き込んでもよい。
【００２４】
図１の回路と比べると、フィードバック制御によってバイアス電流Ｉｂが大まかに調整された状態で、Ａ（Ｔ）で微調整するので、使用する半導体レーザＬＤの経年特性変化、電源電圧の変動などから受ける影響は、図１の回路よりも小さくなる。
図５は、温度センサ６１で読み取られた温度に応じた調整値Ａ（Ｔ）と、バイアス電流フィードバック制御のための設定値Ｎとの乗算を実現するための回路である。演算増幅器の増幅率をデフォルトでＮ倍に設定し、ＲＯＭ内のテーブルの読み取り値Ａ（Ｔ）によって微調整している。
【００２５】
図６は、図４の変形例であり、図４と比べると、Ａ（Ｔ）で微調整するために、温度調整値Ａ（Ｔ）をＮに乗算するのでなく、加算するところが違っているのみである。
図７は、この調整値Ａ（Ｔ）を加算するための回路を示す。この回路によれば、増幅率Ｎ倍の演算増幅器を用いるとともに、電源電圧を調整値Ａ（Ｔ）に応じて分圧し、その分圧された電圧によって演算増幅器の入力動作点を設定している。
【００２６】
−第２の実施形態−
次に、半導体レーザＬＤの変調電流Ｉｍの制御にはフィードフォワード制御を採用し、バイアス電流Ｉｂの制御にはフィードバック制御を採用した回路例を説明する。
図８は、第２の実施の形態における半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。この半導体レーザの送信制御回路は、光信号を送出する半導体レーザＬＤに、バイアス電流Ｉｂを供給するバイアス電流源２と、変調電流Ｉｍを供給する変調電流源３とが接続されている。変調電流Ｉｍをオンオフする信号は、変調回路（図示せず）から供給される。半導体レーザＬＤの出力光を検出するモニタ用フォトダイオードＰＤが、半導体レーザＬＤの出力光を検出できる位置に設置されている。
【００２７】
フォトダイオードＰＤの検出光電流は、電圧信号に変換され、制御部５に入力される。制御部５の平均光出力検出部５１は、半導体レーザＬＤの光出力の平均値を検出する。制御出力部５２は、平均光出力検出部５１により検出された出力光の平均値を出力する。この出力光の平均値に基づいて、半導体レーザＬＤの送信平均光出力を目標値に一致させるように、バイアス電流Ｉｂを制御する。その制御のゲインをＮで表す。
【００２８】
一方、半導体レーザの送信制御回路には、半導体レーザＬＤの変調電流Ｉｍをフィードフォワード制御するため、温度制御回路６が備えられている。温度制御回路６は、温度センサ６１の温度読取値に基づいて最適な変調電流Ｉｍを設定するためのテーブルがＲＯＭの中に用意されていて、このＲＯＭから読み取った値Ａ（Ｔ）に応じた変調電流Ｉｍが、変調電流源３に設定される。テーブルには、図１１に示したとおり、温度Ｔ１，Ｔ２・・・に応じて、所望の消光比が得られるような、変調電流Ｉｍが規定されている。
【００２９】
例えば送信平均光出力の目標値をＰＭとすると、所望の消光比がｒであれば、光出力の最低値Ｐ０は、
Ｐ０＝２ＰＭ／（１＋ｒ） （１）
最大値Ｐ１は、
Ｐ１＝２ｒＰＭ／（１＋ｒ） （２）
であり、テーブルは、この光出力（Ｐ１−Ｐ０）に相当する変調電流Ｉｍを、温度に対して設定している。
【００３０】
さらに前記フィードフォワード制御の他に、フィードバック制御により、送信平均光出力を一定値ＰＭにするために、バイアス電流Ｉｂを調整している。
このように半導体レーザＬＤの変調電流Ｉｍの制御にはフィードフォワード制御を採用し、バイアス電流Ｉｂの制御にはフィードバック制御を採用している。
以上のようにして、本半導体レーザの送信制御回路では、目標値とする送信平均光出力が得られ、かつ所望の消光比が得られる。最適なバイアス電流Ｉｂがフィードバック制御により得られるから、使用する半導体レーザＬＤの経年特性変化、電源電圧の変動などに対して、送信平均光出力を一定にできる。
【００３１】
温度制御回路６のテーブルの読み取り値Ａ（Ｔ）に基づいて変調電流源３を制御するための具体的な回路には、図２、図３で説明したのと同様の回路を採用することができる。
図９は、第２の実施の形態の変更例にかかる半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。光信号を照射する半導体レーザＬＤに、バイアス電流Ｉｂを供給するバイアス電流源２と、変調電流Ｉｍを供給する変調電流源３とが接続されている。変調電流Ｉｍをオンオフする信号は、変調回路（図示せず）から供給される。半導体レーザＬＤの出力光を検出するモニタ用フォトダイオードＰＤが、半導体レーザＬＤの出力光を検出できる位置に設置されている。
【００３２】
フォトダイオードＰＤによって半導体レーザＬＤの出力光を検出し、平均光出力検出部５１によって検出された出力光の平均値に基づいて、半導体レーザＬＤの送信平均光出力を一定にするように、バイアス電流Ｉｂを制御するのは、図８の回路と同じである。
この図９の回路では、制御出力部５２の出力値に応じて、ループゲインＭによって変調電流Ｉｍを設定している。このときに、温度センサ６１で読み取られた温度に基づく調整要素Ａ（Ｔ）を変調電流制御ループの中に入れている。
【００３３】
このため、フィードバックに基づく変調電流制御に、温度に対する依存性を付加した調整要素Ａ（Ｔ）を導入した形となり、温度変動に対する応答性が高められる。
この調整方法を説明すると、最初Ａ（Ｔ）＝１とおいて回路動作させ、半導体レーザＬＤの送信平均光出力が目標値になるように変調電流Ｉｍをフィードバック制御する。このとき消光比は、必ずしも所望の値になっていないので、所望の値になるようにＡ（Ｔ）を微調整していく。消光比が所望の値になった時点で、そのときのＡ（Ｔ）をテーブルに書き込む。なお、Ａ（Ｔ）単独でなく、Ａ（Ｔ）×Ｍの形でテーブルに書き込んでもよい。
【００３４】
図８の回路と比べると、フィードバック制御によって変調電流Ｉｍが大まかに調整された状態で、Ａ（Ｔ）で微調整するので、使用する半導体レーザＬＤの経年特性変化、電源電圧の変動などから受ける影響は、図８の回路よりもさらに小さくなる。
調整値Ａ（Ｔ）と、フィードバック制御のための設定値Ｍとの乗算を実現するための回路は、図５と同様の回路を用いることができる。
【００３５】
図１０は、図９の変形例であり、Ａ（Ｔ）で微調整するために、温度調整値Ａ（Ｔ）をＭに乗算するのでなく、加算するところが違っているのみである。
調整値Ａ（Ｔ）をＭに加算するための回路には、図７と同じ回路を用いることができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、フィードフォワード制御によりバイアス電流を設定し、かつフィードバック制御により半導体レーザの変調電流を制御するので、変調電流、バイアス電流ともにフィードバック制御する場合と比べて、光出力パワーと消光比とを、それぞれ同時に一意的な値に設定することができる。これにより、一般にフィードバック制御だけでは両方を同時に調整することはできず、半導体レーザの性能を十分に利用することができなかったという問題点を解決できる。また、変調電流、バイアス電流ともにフィードフォワード制御する場合は、半導体レーザの経年特性変化、電源電圧の変動があれば、直接光出力パワーの目標値からのずれを招くが、本発明によれば光出力パワーは常に一定に保たれるという効果が得られる。
【００３７】
また、他の本発明によれば、フィードフォワード制御により変調電流を設定し、かつフィードバック制御により半導体レーザのバイアス電流を制御するので、変調電流、バイアス電流ともにフィードバック制御する場合と比べて、光出力パワーと消光比とを、それぞれ同時に一意的な値に設定することができる。これにより、一般にフィードバック制御だけでは両方を同時に調整することはできず、半導体レーザの性能を十分に利用することができなかったという問題点を解決できる。また、変調電流、バイアス電流ともにフィードフォワード制御する場合は、半導体レーザの経年特性変化、電源電圧の変動があれば、直接光出力パワーの目標値からのずれを招くが、本発明によれば光出力パワーは常に一定に保たれるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態における半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。
【図２】温度制御回路６のテーブル読み取り値に基づいてバイアス電流源２を制御するための具体的な回路図である。
【図３】定電圧レギュレータを用いたバイアス電流源２制御回路の回路図である。
【図４】第１実施の形態の変更例にかかる半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。
【図５】調整値Ａ（Ｔ）と、バイアス電流フィードバック制御のための設定値Ｎとの乗算を実現するための回路図である。
【図６】第１実施の形態の変更例にかかる半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。
【図７】調整値Ａ（Ｔ）と、バイアス電流フィードバック制御のための設定値Ｎとの加算を実現するための回路図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。
【図９】第２実施の形態の変更例にかかる半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。
【図１０】第２実施の形態の変更例にかかる半導体レーザの送信制御回路の概略回路図である。
【図１１】半導体レーザの一般的な電流−光出力特性図である。
【符号の説明】
２ バイアス電流源
３ 変調電流源
４ スイッチング用ＦＥＴ
５ 制御部
６ 温度制御回路
５１ 平均光出力検出部
５２ 制御出力部
６１ 温度センサ

Claims (4)

1. 半導体レーザと、温度センサと、半導体レーザの光出力検出素子と、
   温度センサによって検出された温度に応じて消光比が望む値になるようにバイアス電流を設定する第１の制御手段と、
   光出力検出素子により検出された光出力検出値が目標値になるように半導体レーザの変調電流を制御する第２の制御手段と、を備えることを特徴とする半導体レーザの送信制御回路。
2. 前記第１の制御手段は、光出力検出素子により検出された光出力検出値に応じてバイアス電流を変化させる制御過程を備え、この制御過程の中で、前記温度センサによって検出された温度に基づくバイアス電流の調整を行うことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザの送信制御回路。
3. 半導体レーザと、温度センサと、半導体レーザの光出力検出素子と、
   温度センサによって検出された温度に応じて消光比が望む値になるように変調電流を設定する第３の制御回路と、
   光出力検出素子により検出された光出力検出値が目標値になるように半導体レーザのバイアス電流を制御する第４の制御回路と、を備えることを特徴とする半導体レーザの送信制御回路。
4. 前記第３の制御回路は、光出力検出素子により検出された光出力検出値に応じて変調電流を変化させる制御過程を備え、この制御過程中で、前記温度センサによって検出された温度に基づく変調電流の調整を行うことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザの送信制御回路。

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