JP2008242326A - Method of manufacturing fiber bragg grating and apparatus for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ファイバブラッググレーティングの製造方法及びその製造装置に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a fiber Bragg grating and an apparatus for manufacturing the same.
昨今、ひずみセンサの一種として、ファイバブラッググレーティング(以下、単に「FBG」と呼ぶ。)が形成された光ファイバで構成された光部品が用いられている。 In recent years, an optical component composed of an optical fiber in which a fiber Bragg grating (hereinafter simply referred to as “FBG”) is formed is used as a kind of strain sensor.
FBGとは、光ファイバのコアの一部に屈折率の高い部分と、屈折率の低い部分とを長手方向に一定間隔で交互に配置して回折格子(グレーティング)を形成したものであって、FBGが形成された光ファイバに光を入射させると、回折格子における回折条件に基づく反射光が生じることとなっている。 The FBG is a diffraction grating (grating) formed by alternately arranging a portion having a high refractive index and a portion having a low refractive index at a certain interval in the longitudinal direction in a part of the core of the optical fiber, When light is incident on the optical fiber on which the FBG is formed, reflected light based on the diffraction conditions in the diffraction grating is generated.
ここで、FBGにおける交互に連続する屈折率の高い部分と屈折率の低い部分のピッチをΛ、FBG部分の実効屈折率をneffとした場合では、FBGはλB=2×neff×Λの波長の反射光を生じさせるものであり、このようなFBGが形成された光ファイバからなる光部品をひずみセンサとして用いた場合には、FBG部分に生じたひずみによって屈折率の高い部分と屈折率の低い部分のピッチが変動して反射光の波長が変動し、この波長の変動量からひずみ量を計測している。 Here, when the pitch of the high refractive index portion and the low refractive index portion of the FBG that are alternately continuous is Λ, and the effective refractive index of the FBG portion is n eff , the FBG has λ B = 2 × n eff × Λ. When an optical component composed of an optical fiber having such an FBG is used as a strain sensor, a portion having a high refractive index is refracted by the strain generated in the FBG portion. The wavelength of the reflected light fluctuates due to the change in the pitch of the low rate part, and the amount of distortion is measured from the fluctuation amount of this wavelength.
光ファイバにFBGを形成する場合には、通常、光ファイバに沿ってフェーズマスクを配置して、フェーズマスク越しに光ファイバに対して紫外線レーザ光を照射することにより光ファイバのコアに屈折率を異ならせた領域を所定間隔で形成している。 When an FBG is formed on an optical fiber, a phase mask is usually disposed along the optical fiber, and the optical fiber core is irradiated with ultraviolet laser light through the phase mask to thereby adjust the refractive index of the optical fiber core. Different regions are formed at predetermined intervals.
フェーズマスクは、光ファイバに対向させた面に、FBGに形成する屈折率の高い部分と屈折率の低い部分のピッチΛの2倍のピッチで光ファイバの長手方向に複数のスリットを設けたフィルタであって、紫外線レーザ光が入射されると、この紫外線レーザ光を回折させて光ファイバに照射し、光ファイバにピッチをΛとする干渉縞を生じさせてFBGを形成している(例えば、特許文献1参照。)。 The phase mask is a filter in which a plurality of slits are provided in the longitudinal direction of the optical fiber on the surface facing the optical fiber at a pitch twice the pitch Λ of the high refractive index portion and the low refractive index portion formed on the FBG. When an ultraviolet laser beam is incident, the ultraviolet laser beam is diffracted and applied to an optical fiber, and an interference fringe having a pitch Λ is generated in the optical fiber to form an FBG (for example, (See Patent Document 1).
光ファイバに紫外線レーザ光を照射する場合には、一般的に波長248nmの深紫外線レーザ光が用いられることが多い。
しかしながら、波長248nmの深紫外線レーザ光を出力する光源は、出力安定性に乏しく、かつ頻繁なメンテナンスが必要であるために生産性の向上が困難であり、しかも、光源が安定していないことにより、光ファイバに対する照射位置のズレや、コアにおける屈折率の変化の不均一性などによって、形成したFBGに大きな個体差が生じやすくなっていた。 However, a light source that outputs a deep ultraviolet laser beam having a wavelength of 248 nm has poor output stability and requires frequent maintenance, so that it is difficult to improve productivity, and the light source is not stable. A large individual difference is likely to occur in the formed FBG due to a deviation of an irradiation position with respect to the optical fiber, a non-uniformity of a change in refractive index in the core, or the like.
特に、FBGを用いたセンシングシステムでは、一般的に複数のFBGを組み合わせて構成しているため、FBGごとの個体差が大きい場合には、FBG自体は高精度であるにもかかわらず、センシングシステムの精度の向上が図れないという問題があった。 In particular, a sensing system using an FBG is generally configured by combining a plurality of FBGs. Therefore, when the individual difference for each FBG is large, the sensing system is high in spite of high accuracy. There was a problem that the accuracy of the system could not be improved.
また、波長248nmの深紫外線レーザ光を用いてFBGを形成する場合には、光ファイバのコアを被覆した被覆材が深紫外線レーザ光を吸収するために、被覆材を一旦除去するリムーブ処理を行った後でしかFBGを形成することができず、しかも、FBGの形成後には、露出したコアを再被覆するリコート処理が必要であって、製造コストが増大するとともに、リードタイムの短縮化を阻害することとなり、製造効率の向上が図れないという問題もあった。 In addition, when forming FBGs using deep ultraviolet laser light having a wavelength of 248 nm, the coating material covering the core of the optical fiber absorbs deep ultraviolet laser light, so that a removal process is performed to remove the coating material once. The FBG can only be formed after the formation of the FBG. Further, after the FBG is formed, a recoating process for re-coating the exposed core is necessary, which increases the manufacturing cost and inhibits the shortening of the lead time. As a result, there is a problem that the production efficiency cannot be improved.
本発明者らは、このような現状に鑑み、FBGの個体差を抑制するとともに、効率よくFBGを形成できる製造技術の研究開発を行って本発明を成すに至ったものである。 In view of the present situation, the present inventors have made the present invention by conducting research and development of a manufacturing technique capable of efficiently forming FBG while suppressing individual differences of FBGs.
すなわち、本発明のファイバブラッググレーティングの形成方法では、光ファイバに波長300〜360nmの固体レーザ光を干渉させながら照射してファイバブラッググレーティングを形成することとした。 That is, in the method for forming a fiber Bragg grating of the present invention, the fiber Bragg grating is formed by irradiating the optical fiber with solid laser light having a wavelength of 300 to 360 nm while interfering with the optical fiber.
さらに、本発明のファイバブラッググレーティングの形成方法では、以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
(1)光ファイバは、固体レーザ光に対して吸収作用を生じさせる元素をコアにドーピングしていること。
(2)コアには、前記元素を10mol%以上添加していること。
(3)前記元素は、ゲルマニウム、スズ、アルミニウム、ビスマスの少なくともいずれか1つであること。
(4)固体レーザ光は50W/cm2以上のパワーで照射すること。
Furthermore, the method for forming a fiber Bragg grating of the present invention is also characterized by the following points. That is,
(1) The optical fiber has a core doped with an element that causes an absorption effect on solid laser light.
(2) 10 mol% or more of the element is added to the core.
(3) The element is at least one of germanium, tin, aluminum, and bismuth.
(4) Irradiate the solid laser beam with a power of 50 W / cm 2 or more.
また、本発明のファイバブラッググレーティングの製造装置では、光源から照射されたレーザ光を干渉させながら光ファイバに照射してファイバブラッググレーティングを形成するファイバブラッググレーティングの製造装置において、光源を、波長300〜360nmの固体レーザ光を照射する光源とした。 In the fiber bragg grating manufacturing apparatus of the present invention, in the fiber bragg grating manufacturing apparatus that forms the fiber Bragg grating by irradiating the optical fiber while interfering with the laser light irradiated from the light source, the light source has a wavelength of 300 to A light source for irradiating 360 nm solid laser light was used.
本発明では、光ファイバに波長300〜360nmの固体レーザ光を照射してファイバブラッググレーティングを形成することによって、波長300〜360nmの固体レーザ光を出力する光源が極めて安定的に動作することにより安定なレーザ光を用いることができ、バラツキの少ないファイバブラッググレーティングを形成できる。 In the present invention, a fiber Bragg grating is formed by irradiating an optical fiber with a solid laser beam having a wavelength of 300 to 360 nm, so that the light source that outputs the solid laser beam having a wavelength of 300 to 360 nm operates extremely stably. Therefore, it is possible to form a fiber Bragg grating with little variation.
しかも、波長300〜360nmの固体レーザ光は、光ファイバの被覆材に吸収されにくいことによって、リムーブ処理を行うことなくファイバブラッググレーティングを形成でき、製造効率を向上させることができる。なお、リムーブ処理を行ってファイバブラッググレーティングを形成することもできる。 In addition, since the solid laser light having a wavelength of 300 to 360 nm is not easily absorbed by the coating material of the optical fiber, a fiber Bragg grating can be formed without performing a removal process, and the manufacturing efficiency can be improved. A fiber Bragg grating can also be formed by performing a removal process.
本発明のFBGの製造方法及びその製造装置では、光ファイバに波長300〜360nmの固体レーザ光を干渉させながら照射してファイバブラッググレーティング(以下、単に「FBG」と呼ぶ。)を形成するものである。 In the FBG manufacturing method and the manufacturing apparatus according to the present invention, a fiber Bragg grating (hereinafter simply referred to as “FBG”) is formed by irradiating an optical fiber with solid laser light having a wavelength of 300 to 360 nm while interfering with the optical fiber. is there.
本来、光ファイバのコアを構成している石英は、波長240〜250nmの深紫外線レーザ光を吸収することはないが、コアにゲルマニウムなどを添加した光ファイバでは、ゲルマニウムとケイ素の間に結合するはずの酸素が結合していないため、ゲルマニウムとケイ素とが直接的に結合したGODC(Germanium Oxygen Deficient Center)欠陥が存在しており、この欠陥において波長240〜250nmの深紫外線レーザ光の吸収が生じ、ゲルマニウムとケイ素とが直接的に結合が切断されることにより、波長1.5μmの光に対して屈折率変化を生じている。 Originally, the quartz that forms the core of the optical fiber does not absorb deep ultraviolet laser light having a wavelength of 240 to 250 nm, but in an optical fiber in which germanium or the like is added to the core, it is bonded between germanium and silicon. Since there should be no oxygen bonding, there is a GODC (Germanium Oxygen Deficient Center) defect in which germanium and silicon are directly bonded. Absorption of deep ultraviolet laser light having a wavelength of 240 to 250 nm occurs in this defect. As a result of the direct bond breakage between germanium and silicon, a refractive index change is caused for light having a wavelength of 1.5 μm.
GODC欠陥は、波長300〜360nmの光に対しても弱い吸収を生じるため、本発明では、波長300〜360nmの近紫外線レーザ光をコアに照射してGODC欠陥におけるゲルマニウムとケイ素との結合を切断し、屈折率変化を生じさせてFBGを形成しているものである。 Since the GODC defect causes weak absorption even for light with a wavelength of 300 to 360 nm, in the present invention, the core is irradiated with a near ultraviolet laser beam with a wavelength of 300 to 360 nm to break the bond between germanium and silicon in the GODC defect. Thus, the FBG is formed by changing the refractive index.
特に、波長300〜360nmの近紫外線レーザ光の光源として固体レーザを用いることにより、出力が極めて安定しているのでバラツキの少ないFBGが形成できるとともに、光源がメンテナンスフリーであって、維持管理を容易とすることができる。 In particular, by using a solid-state laser as the light source of near-ultraviolet laser light with a wavelength of 300 to 360 nm, the output is extremely stable, so that an FBG with little variation can be formed, and the light source is maintenance-free and easy to maintain. It can be.
しかも、波長300〜360nmの固体レーザ光は、光ファイバのコアを被覆した被覆材にほとんど吸収されないことにより、リムーブ処理によって被覆材を除去することなくFBGを形成でき、リムーブ処理及びリコート処理を不要としてリードタイムの短縮化を図ることができるとともに、製造コストの削減を図ることができ、製造効率を大きく向上させることができる。 In addition, solid laser light with a wavelength of 300 to 360 nm is hardly absorbed by the coating material covering the core of the optical fiber, so that FBG can be formed without removing the coating material by the removal process, and the removal process and the recoating process are unnecessary. As a result, the lead time can be shortened, the manufacturing cost can be reduced, and the manufacturing efficiency can be greatly improved.
FBGは、具体的には、図1の概略模式図で示す製造装置によって製造することができる。ここで、光ファイバFは、コアにゲルマニウムを添加したφ150μmの光ファイバとしている。 Specifically, FBG can be manufactured with the manufacturing apparatus shown with the schematic schematic diagram of FIG. Here, the optical fiber F is an optical fiber having a diameter of 150 μm in which germanium is added to the core.
製造装置は、波長335.5nmの固体レーザ光を照射する第1光源11(株式会社メガオプト製)と、青紫色レーザ光を照射する第2光源12と、この第1光源11と第2光源12とから照射されたレーザ光をビームスプリッタ21で第1レーザ光L1と第2レーザ光L2に分けるとともに、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2の照射方向をそれぞれ調整する調整部20と、この照射部20から射出された第1レーザ光L1と第2レーザ光L2を光ファイバFに照射する照射部30を備えている。
The manufacturing apparatus includes a first light source 11 (manufactured by MegaOpt Co., Ltd.) that emits solid laser light having a wavelength of 335.5 nm, a
第1光源11から照射された固体レーザ光は、第1ミラーM1と、第2光源12から射出された青紫色レーザ光の光路上に設けた第2ミラーM2とに反射されて青紫色レーザ光と同じ光路を進むようにしている。図1中、A1は第1アパーチャである。
The solid-state laser light emitted from the
固体レーザ光と青紫色レーザ光は、メカニカルシャッタS及び第2アパーチャA2を通過して第3ミラーM3で反射され、調整部20に入射している。図1中、A3は第3アパーチャである。
The solid-state laser light and the blue-violet laser light pass through the mechanical shutter S and the second aperture A2, are reflected by the third mirror M3, and enter the
調整部20では、入射してきた固体レーザ光と青紫色レーザ光を第4ミラーM4で反射させてビームスプリッタ21に入射させ、第1レーザ光L1と第2レーザ光L2に分けている。図1中、A4は第4アパーチャである。
The adjusting
第1レーザ光L1は、ビームスプリッタ21を通過し、第5ミラーM5と第6ミラーM6に順次反射して照射部30に入射している。一方、第2レーザ光L2は、ビームスプリッタ21で反射し、第7ミラーM7に反射して照射部30に入射している。
The first laser beam L1 passes through the
第5ミラーM5と、第6ミラーM6と、第7ミラーM7はそれぞれ角度を調整自在としており、それぞれの角度を調整することにより第1レーザ光L1及び第2レーザ光L2の照射方向を調整している。さらに、第5ミラーM5は、平行移動もさせている。 The angles of the fifth mirror M5, the sixth mirror M6, and the seventh mirror M7 are adjustable, and the irradiation directions of the first laser light L1 and the second laser light L2 are adjusted by adjusting the angles. ing. Further, the fifth mirror M5 is also translated.
調整部20から入射された第1レーザ光L1と第2レーザ光L2は、円筒状レンズ31を通過して光ファイバFに照射され、互いに干渉して干渉光を生成し、この干渉光によって光ファイバFにFBGを形成している。
The first laser light L1 and the second laser light L2 incident from the
図2は、Nd:YVO4の1342nmの発光の4次高調波を光源に用いてFBGを形成した場合の反射率を示している。このFBGでは、波長1567.14nm付近を中心とする半値幅約120pmの鋭い反射ピークが得られ、波長335nmの近紫外光の照射でFBGが形成できることが確認された。なお、光源には、Nd:YVO4の1342nmの発光の4次高調波に限定するものではなく、Nd:YAGなどの固体材料の900〜1080nmの発光の3次高調波、あるいは1200〜1440nmの発光の4次高調波を用いることができる。 FIG. 2 shows the reflectance when an FBG is formed using the fourth harmonic of Nd: YVO 4 emission at 1342 nm as the light source. With this FBG, a sharp reflection peak with a half-value width of about 120 pm centered around the wavelength of 1567.14 nm was obtained, and it was confirmed that FBG can be formed by irradiation with near ultraviolet light with a wavelength of 335 nm. The light source is not limited to the fourth harmonic of Nd: YVO 4 emission at 1342 nm, but is the third harmonic of emission from 900 to 1080 nm of a solid material such as Nd: YAG, or 1200 to 1440 nm. The fourth harmonic of emission can be used.
また、図3に示すように、書き込みに用いる光源の出力を調整することにより、書き込み速度を調整できることが確認された。 Further, as shown in FIG. 3, it was confirmed that the writing speed can be adjusted by adjusting the output of the light source used for writing.
すなわち、書き込みに用いる光源の出力を50W/cm2以上のパワーとすることにより書き込み速度を増加させることができるため、書き込みに用いる光源の出力は、少なくとも50W/cm2以上であることが望ましい。 That is, it is possible to increase the writing speed by the output of the light source used for writing and 50 W / cm 2 or more power, the output of the light source used for writing, it is desirable that at least 50 W / cm 2 or more.
また、図4に示すように、通常、3mol%程度である光ファイバのコアにおけるゲルマニウムの添加量を増大させた場合には、FBGの書き込み速度を向上させることができ、特に、10mol%以上とすることにより、通常、書き込み速度を向上させるために光ファイバのコアにあらかじめ水素を添加しておく水素ロードを施すことなく同程度以上の書き込み速度とすることができる。したがって、光ファイバへの水素ロード、及びFBG形成後の水素の除去を不要として、リードタイムのさらなる短縮化を図ることができる。 In addition, as shown in FIG. 4, when the amount of germanium added to the core of the optical fiber, which is usually about 3 mol%, is increased, the FBG writing speed can be improved. By doing so, it is possible to achieve a writing speed of about the same or higher without applying a hydrogen load in which hydrogen is added to the core of the optical fiber in advance in order to improve the writing speed. Therefore, it is not necessary to load hydrogen into the optical fiber and remove hydrogen after forming the FBG, and the lead time can be further shortened.
なお、光ファイバのコアに添加する元素は、ゲルマニウムに限定するものではなく、スズ、アルミニウム、ビスマスなどを用いることができ、あるいはこれらを組み合わせて用いてもよく、石英質の光ファイバのコアにドープすることによって、このコアに300〜360nmの波長に対する吸収を生じさせることができる元素であれば何であってもよい。 The element added to the core of the optical fiber is not limited to germanium, and tin, aluminum, bismuth, etc. can be used, or a combination thereof can be used. Any element can be used as long as it can cause the core to absorb light with a wavelength of 300 to 360 nm by doping.
前述した製造装置は、いわゆる二光束干渉法を用いてFBGを形成しているが、図5の概略模式図に示すように、フェーズマスク40を用いて光ファイバFにFBGを形成してもよい。
In the manufacturing apparatus described above, the FBG is formed by using a so-called two-beam interference method, but the FBG may be formed on the optical fiber F by using the
この製造装置では、レーザ光を照射する光源部50と、この光源部50から照射されたレーザ光に干渉を生じさせるフェーズマスク40と、このフェーズマスク40によって生成された干渉光が照射される光ファイバFの繰り出しを制御する繰出制御部60とを備えている。
In this manufacturing apparatus, a
光源部50は、波長335.5nmのレーザ光を出力する固体レーザ装置(株式会社メガオプト製)51と、アパーチャ52と、照射レンズ53を備えている。
The
フェーズマスク40は、光ファイバFに対向させた面に、光ファイバFの長手方向に沿って複数のスリットを設けたガラス板であって、スリットの形成ピッチは、光ファイバFに形成するFBGにおける屈折率の高い部分と屈折率の低い部分のピッチΛの2倍としている。
The
繰出制御部60は、光ファイバFが巻かれたリール62と、このリール62から引き出された光ファイバ61を挟んで繰り出させる2個一対の繰出ローラ63,63と、この繰出ローラ63,63によって繰り出された光ファイバFを巻き取る巻取リール64を備えている。繰出ローラ63,63の何れか一方、及び巻取リール64にはそれぞれ図示しない駆動モータを遠藤連結させており、これらの駆動モータを駆動させることにより繰出ローラ63及び巻取リール64を回転駆動させている。
The
本実施形態では、リール62、繰出ローラ63,33、巻取リール64は、それぞれ適宜の支持体を介して基台65上の所定位置に配置している。リール62と繰出ローラ63,63との間には、繰出ローラ63,63と同形状とした2個一対の補助ローラ66,66を設け、補助ローラ66,66と繰出ローラ63,63との間の領域をFBG形成領域67としている。図5中、68は、FBG形成領域67における光ファイバFに弛みが生じないように所定のテンションを加えるためのテンションローラであり、69は、このテンションローラ68によって光ファイバFに効果的にテンションを加えるための2個一対のテンション用補助ローラである。テンションローラ68は、図示しない制御装置によって上下に移動させながら光ファイバFに所定のテンションを加えている。
In the present embodiment, the
フェーズマスク40は、FBG形成領域67の所定位置に、光ファイバFから所定の距離だけ離隔させて配置しいている。
The
このように構成した製造装置でFBGを製造する場合には、光ファイバFを巻き取ったリール62を所定位置に配置し、光ファイバFを、テンション用補助ローラ69→テンションローラ68→補助ローラ66→繰出ローラ63の順に掛架させながら繰り出し、光ファイバFの一端を巻取リール64に装着している。
When manufacturing the FBG with the manufacturing apparatus configured as described above, the
製造装置では、繰出ローラ63によってリール62から光ファイバFを所定量だけ繰り出させるとともに、テンションローラ68で光ファイバFに所定のテンションを加えて十分に光ファイバFを緊張させ、固体レーザ装置51からのレーザ光の照射を開始する。
In the manufacturing apparatus, the optical fiber F is fed out from the
固体レーザ装置51は、所定時間のレーザ光の照射によって光ファイバFの所定位置にFBGを形成する。このとき、FBGは、コアを被覆材で被覆したままであり、固体レーザ装置51から波長335.5nmのレーザ光を出力することにより、このレーザ光をコアに効果的に作用させて相変化を生じさせ、コアの屈折率を変化させてFBGを形成している。
The solid-
レーザ光は固体レーザ装置51から出力されていることによって出力が安定しており、極めて均一なFBGを形成できる。
Since the laser beam is output from the solid-
所定時間のレーザ光の照射後、固体レーザ装置51はレーザ光の照射を停止し、繰出ローラ63はリール62から光ファイバ61を所定量だけ繰り出させ、巻取リール64はFBGが形成された光ファイバFを巻き取っている。
After the laser beam irradiation for a predetermined time, the solid-
この動作を繰返すことにより、製造装置ではFBGを連続的に形成できる。特に、レーザ光の照射に固体レーザ装置51を用いていることによって比較的少ない電力でレーザ光を出力でき、しかも固体レーザ装置51はメンテナンスフリーであるために保守作業を削減しながらも、個体差の極めて少ないFBGを安定的に製造できる。
By repeating this operation, the manufacturing apparatus can continuously form the FBG. In particular, by using the solid-
F 光ファイバ
11 第1光源
12 第2光源
20 調整部
21 ビームスプリッタ
30 照射部
31 円筒状レンズ
S メカニカルシャッタ
L1 第1レーザ光
L2 第2レーザ光
M1 第1ミラー
M2 第2ミラー
M3 第3ミラー
M4 第4ミラー
M5 第5ミラー
M6 第6ミラー
M7 第7ミラー
A1 第1アパーチャ
A2 第2アパーチャ
A3 第3アパーチャ
A4 第4アパーチャ
F optical fiber
11 First light source
12 Second light source
20 Adjustment section
21 Beam splitter
30 Irradiation part
31 Cylindrical lens S Mechanical shutter
L1 First laser beam
L2 Second laser beam
M1 first mirror
M2 second mirror
M3 3rd mirror
M4 4th mirror
M5 5th mirror
M6 6th mirror
M7 7th mirror
A1 1st aperture
A2 2nd aperture
A3 3rd aperture
A4 4th aperture
Claims (6)
前記光源を、波長300〜360nmの固体レーザ光を照射する光源としたことを特徴とするファイバブラッググレーティングの製造装置。 In a fiber Bragg grating manufacturing apparatus that forms an optical fiber Bragg grating by irradiating an optical fiber while interfering with laser light emitted from a light source,
An apparatus for manufacturing a fiber Bragg grating, wherein the light source is a light source that emits solid laser light having a wavelength of 300 to 360 nm.
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