JP2009094206A - 外部共振器型波長可変光源及び光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチモード発振やモードホップを抑制することによって波長の可変範囲を拡大することができる外部共振器型波長可変光源、及び当該外部共振器型波長可変光源を備える光源装置を提供する。
【解決手段】外部共振器型波長可変光源１は、レーザ光を射出するレーザ光源１１と、レーザ光源１１からのレーザ光が回折面１４ａに入射される回折格子１４と、回折格子１４で回折されたレーザ光のうちの一部を回折格子１４に向けて反射する移動可能な平面ミラー１５とを備えており、レーザ光源１１の端面１１ｂと平面ミラー１５の反射面１５ａとにより共振器が形成されている。この外部共振器型波長可変光源１は、回折格子１４の回折面１４ａにおけるレーザ光の入射側に、屈折率が１よりも大きなプリズム１３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信分野又は光計測技術分野等で用いられる外部共振器型波長可変光源及び光源装置に関する。

図５は、従来の外部共振器型波長可変光源の一例を示す図である。図５に示す外部共振器型波長可変光源１００は、半導体レーザ１０１、コリメートレンズ１０２、回折格子１０３、及び平面ミラー１０４を備えており、半導体レーザ１０１の一方の端面１０１ａと平面ミラー１０４の反射面１０４ａとによって共振器（外部共振器）が形成され、半導体レーザ１０１の端面１０１ａから外部にレーザ光を射出する。尚、図５に示す外部共振器型波長可変光源１００は、リットマン配置の外部共振器型波長可変光源である。

半導体レーザ１０１は、端面１０１ａと対をなす端面に反射防止膜（ＡＲコート）１０５が施されており、この反射防止膜１０５が施された端面をコリメートレンズ１０２側に向けて配置されている。コリメートレンズ１０２は、半導体レーザ１０１の反射防止膜１０５が施された端面から射出されるレーザ光を平行光にするとともに、回折格子１０３で回折されてきたレーザ光を半導体レーザ１０１のその端面に集光する。

回折格子１０３は、紙面に直交する方向に延びる格子が形成された平面状の回折面１０３ａを有しており、コリメートレンズ１０２によって平行にされたレーザ光、及び平面ミラー１０４によって反射されたレーザ光を、その波長に応じた角度で回折する。平面ミラー１０４は、回折格子１０３によって回折されたレーザ光を反射するものであり、紙面に沿う回転方向Ｄ１０１，Ｄ１０２に回転（揺動）可能である。

ここで、図５に示す通り、半導体レーザ１０１の端面１０１ａの回折格子１０３に対する光学的位置をＰ１０１、回折格子１０３に対するレーザ光の入射位置をＰ１０２、平面ミラー１０４に対するレーザ光の入射位置をＰ１０３とする。図５に示す外部共振器型波長可変光源１００において、波数を一定にしたまま波長を変化させるためには、半導体レーザ１０１の端面１０１ａの光学的位置Ｐ１０１、回折格子１０３に対する入射位置Ｐ１０２、及び平面ミラー１０４に対する入射位置Ｐ１０３を通る円Ｒ１００の円周に沿って入射位置Ｐ１０３が移動するよう平面ミラー１０４を回転させる必要がある。

このとき、図５に示す通り、平面ミラー１０４の回転中心は、端面１０１ａの光学的位置Ｐ１０１を起点にして光軸に対し垂直に延ばした線と、回折格子１０３の回折面１０３ａを含む平面とが交差する点Ｃ１０１に配置されている必要がある。いま、平面ミラー１０４を図中の点Ｃ１０１を中心として回転方向Ｄ１０１に回転させるとレーザ光の波長を長波長側に連続的に可変することができ、逆に点Ｃ１０１を中心として回転方向Ｄ１０２に回転させるとレーザ光の波長を短波長側に連続的に可変することができる。これにより、外部共振器型波長可変光源１００からは、スペクトル線幅が狭く波長安定性が良いレーザ光が得られ、しかもモードホップを生ずることなく波長を連続して可変することができる。

尚、従来の外部共振器型波長可変光源の詳細については、例えば以下の特許文献１を参照されたい。
特許第３７１３９８７号公報

ところで、従来の外部共振器型波長可変光源１００では、実際にはマルチモード発振やモードホップが生ずることがあり、これによって波長の可変範囲が制限される。ここで、マルチモード発振やモードホップは、半導体レーザ１０１の非線形性、コリメートレンズ１０２で生ずる各種の収差、半導体レーザ１０１に対するコリメートレンズ１０２の位置誤差、平面ミラー１０４を駆動する駆動系の機械的な誤差による平面ミラー１０４の移動誤差等が原因であると考えられる。現状においては必要とされる波長の可変範囲は得られているものの、将来的に波長の可変範囲を拡大する場合にマルチモード発振やモードホップが問題になると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、マルチモード発振やモードホップを抑制することによって波長の可変範囲を拡大することができる外部共振器型波長可変光源、及び当該外部共振器型波長可変光源を備える光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の外部共振器型波長可変光源は、レーザ光を射出する光源（１１）と、当該光源からのレーザ光が回折面（１４ａ）に入射される回折格子（１４）と、当該回折格子で回折されたレーザ光のうちの一部を前記回折格子に向けて反射する移動可能な反射鏡（１５）とを備え、前記光源の端面（１１ｂ）と前記反射鏡とが共振器をなす外部共振器型波長可変光源（１）において、前記回折格子の回折面における前記レーザ光の入射側に、屈折率が１よりも大きな光学素子（１３）を備えることを特徴としている。
この発明によると、光源から射出されたレーザ光は、屈折率が１よりも大きな光学素子を介して回折格子に入射して波長に応じた回折角で回折され、反射鏡の方向に回折されたレーザ光が反射鏡で反射されて再び光学素子を介して回折格子に入射して回折された後に光源に入射する。かかる動作を繰り返すことにより、光源の端面と反射鏡とから構成される共振器内で共振が生じ、外部にレーザ光が射出される。
また、本発明の外部共振器型波長可変光源は、前記光学素子が、前記回折格子で回折されたレーザ光が射出される射出面（１３ｂ）が、前記回折格子の回折面に対して傾斜していることを特徴としている。
また、本発明の外部共振器型波長可変光源は、前記光学素子が、前記回折格子が一体形成されて前記回折面とされる底面と、前記射出面とされる上面とを有する断面台形形状の光学プリズムであることを特徴としている。
また、本発明の外部共振器型波長可変光源は、前記光学素子が、前記光源からのレーザ光を屈折させた上で前記回折格子の回折面に入射させることを特徴としている。
更に、本発明の外部共振器型波長可変光源は、前記光学素子に対する前記レーザ光の入射角がブリュースター角に設定されていることを特徴としている。
本発明の光源装置は、波長が可変であるレーザ光を射出する光源装置（５０）において、上記の何れかに記載の外部共振器型波長可変光源と、前記外部共振器型波長可変光源が備える前記反射鏡の回転量を制御して、前記レーザ光の波長を可変させる波長可御部（５５）とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、回折格子の回折面におけるレーザ光の入射側に、レーザ光に対する屈折率が１よりも大きな光学素子を設けているため、回折格子の格子の数を増加（格子密度を向上）させて回折格子での波長選択性を向上させることができる。これにより、これによりマルチモード発振が抑制されて、波長の可変範囲を拡大することができるという効果がある。また、光学素子の射出面を回折格子の回折面に対して傾斜させているため、共振器長誤差の波長毎のバラツキを小さくすることができ、これによりモードホップを抑制して波長の可変範囲を拡大することができるという効果がある。更に、レーザ光を屈折させてビーム径を拡大しているため、回折格子での波長選択性を更に向上させることができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による外部共振器型波長可変光源及び光源装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による外部共振器型波長可変光源の構成を示す図である。図１に示す通り、本実施形態による外部共振器型波長可変光源１は、半導体レーザ１１（光源）、コリメートレンズ１２、プリズム１３（光学素子）、回折格子１４、及び平面ミラー１５（反射鏡）を備える。

この外部共振器型波長可変光源１は、半導体レーザ１１の端面１１ｂと平面ミラー１５の反射面１５ａとによって共振器が形成されており、半導体レーザ１１の端面１１ｂから外部にレーザ光を射出する。尚、図１に示す外部共振器型波長可変光源１は、平面ミラー１５を移動させることで、１．４〜１．６５μｍ程度の範囲で連続的にレーザ光の波長を変化させることが可能であるとする。

半導体レーザ１１は、例えば半導体基板上に下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層が順に形成され、半導体基板を劈開して得られる一対の平行な端面１１ａ及び端面１１ｂを共振器としたファブリペロー型の半導体レーザである。この半導体レーザ１１は、端面１１ａに反射防止膜（ＡＲコート）１６が施されており、反射防止膜１６が施された端面１１ａを反射ミラー１３に向けて配置されるとともに、図５を用いて説明したリットマン配置の外部共振器型波長可変光源１００と同様の光路長の条件が満たされるよう位置決めされる。尚、半導体レーザ１１から射出されるレーザ光の偏光方向は紙面に含まれる方向であるとする。

コリメートレンズ１２は、半導体レーザ１１とプリズム１３との間の光路上に配置され、半導体レーザ１１の反射防止膜１６が施された端面１１ａにおけるレーザ光の射出位置に、一方の焦点が配置されるよう半導体レーザ１１に対して位置決めされている。このコリメートレンズ１２は、半導体レーザ１１から射出されるレーザ光を平行光にするとともに、回折格子１４で回折されて半導体レーザ１１に向かうレーザ光を半導体レーザ１１の端面１１ａにおけるレーザ光の射出位置に集光する。

プリズム１３は、回折格子１４の回折面１４ａにおけるレーザ光の入射側に設けられており、回折格子１４における波長選択性を高めることによりマルチモード発振やモードホップを抑制するために設けられる。このプリズム１３は、半導体レーザ１１から射出されるレーザ光に対する屈折率が１よりも大きな硝材（例えば、ＢＫ７）により形成されており、断面形状が台形形状の光学素子である。尚、本実施形態では、プリズム１３の底面に回折格子１４が一体形成されてその底面が回折面１４ａとされており、プリズム３の上面が回折格子１４で回折されたレーザ光が射出される射出面１３ｂとされている構成を例に挙げて説明する。

このプリズム１３は、半導体レーザ１１からのレーザ光が所定の入射角α（例えば、７５°）をもって回折格子１３に入射するように、半導体レーザ１１及びコリメートレンズ１２に対する位置決めがなされている。図１に示す例においては、半導体レーザ１１からのレーザ光が斜面１３ａから入射し、且つ斜面１３ａにおいて屈折した上で所定の入射角αをもって回折格子１３に入射するように、半導体レーザ１１及びコリメートレンズ１２に対するプリズム１３の位置決めがなされている。尚、コリメートレンズ１２とプリズム１３との距離は１０ｍｍ程度である。ここで、斜面１３ａにおいてレーザ光を屈折させるのは、レーザ光のビーム径を拡大させることによって回折格子１３での波長選択性を向上させるためである。

また、本実施形態の外部共振器型波長可変光源１では、プリズム１３の斜面１３ａに対するレーザ光の入射角φがブリュースター角（例えば、５６．３°）となるように、半導体レーザ１１及びコリメートレンズ１２に対するプリズム１３の位置決め、及び回折面１４ａに対する斜面１３ａの角度γの設定がなされている。前述した通り、本実施形態では半導体レーザ１１から射出されるレーザ光の偏光方向が紙面に含まれる方向であるため、プリズム１３にはｐ偏光のレーザ光が入射することになる。プリズム１３に対するレーザ光の入射角φをブリュースター角に設定することで、斜面１３ａにおけるレーザ光に対する反射率を零にして反射損失を低減することができる。

更に、プリズム１３は、回折格子１４で回折されたレーザ光が射出される射出面１３ｂが回折面１４ａに対して平行ではなく、所定の角度をもって傾斜している。これは、外部共振器型波長可変光源１の共振器長（半導体レーザ１１の端面１１ｂと平面ミラー１５の反射面１５ａとによって形成される共振器の共振器長）を調整することにより、モードホップを抑制するためである。尚、回折面１４ａと射出面１３ｂとの間隔（プリズム１３の厚み）は数ｍｍ程度である。

図２は、プリズム１３内におけるレーザ光の光路の一例を示す図である。図２に示す通り、回折格子１４の回折面１４ａに入射角αで入射したレーザ光はその波長に応じた回折角をもって回折される。波長λのレーザ光が回折角βで回折されて光路Ｐ１を進むとすると、波長λよりも短い波長のレーザ光は回折角βよりも小さな角度で回折されて光路Ｐ２を進み、波長λよりも長い波長のレーザ光は回折角βよりも大きな角度で回折されて光路Ｐ３を進む。

いま、光路Ｐ１に垂直な垂直面ＰＬを考えると、図２に示す通り、プリズム１３内においては光路Ｐ２の物理長よりも光路Ｐ３の物理長が長くなることが分かる。ガラスや半導体の屈折率は長波長側で小さくなる傾向であるため、共振器の共振条件をある波長範囲で満足するためには、長波長側（光路Ｐ３側）でのプリズム１３内における物理長を長くする必要がある。ここで、プリズム１３の射出面１３ｂが回折格子の回折面１４ａと平行な場合にも、プリズム１３内における物理長は短波長側（光路Ｐ４側）よりも長波長側（光路Ｐ３側）が長くなるが、両光路の物理長の差が大きすぎるために却って波長毎の共振器長の誤差が大きくなる。このため、回折格子１４の回折面１４ａに対してプリズム１３の射出面１３ｂを傾斜させている。

図３は、回折面１４ａに対する射出面１３ｂの角度を変化させた場合における、波長毎の共振器長誤差を示すグラフを示す図である。図３において、符号Ｇ１を付したグラフは回折面１４ａに対する射出面１３ｂの角度が２°である場合のグラフであり、符号Ｇ２を付したグラフは回折面１４ａに対する射出面１３ｂの角度が１°である場合のグラフである。同様に、符号Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５を付したグラフは、それぞれ回折面１４ａに対する射出面１３ｂの角度が０°，−１°，−２°である場合のグラフである。尚、回折面１４ａを基準として時計回りの回転方向の正の符号とし、反時計回りの回転方向の負の符号としている。

図３を参照すると、回折面１４ａに対する射出面１３ｂの角度が正方向に大きくなるに従って、共振器長誤差の波長毎のバラツキが大きくなることが分かる。これに対し、回折面１４ａに対する射出面１３ｂの角度が負方向に大きくなるに従って、共振器長誤差の波長毎のバラツキが小さくなって０．１波長以下になるのが分かる。このため、本実施形態においては、図２に示す通り、回折面１４ａに対する射出面１３ｂの角度θが負となるように、回折格子１４の回折面１４ａに対してプリズム１３の射出面１３ｂを傾斜させている。具体的には、例えば−２°となるように傾斜面１３ｂを傾斜させている。

回折格子１４は、紙面に直交する方向に延びる格子が配列された平面状の回折面１４ａを有しており、コリメートレンズ１２によって平行にされたレーザ光、及び平面ミラー１５によって反射されたレーザ光を、その波長に応じた角度で回折する。尚、本実施形態では、前述した通り、プリズム１３の底面に回折格子１４が一体形成されてその底面が回折面１４ａとされている。回折格子１４の格子本数は例えば１２００本／ｍｍである。

ここで、レーザ光の波長をλ、回折格子１４が備える格子定数をｄとし、回折格子１４が単体で空気中に配置されているとすると以下の（１）式に示す関係が成り立つ。
λ／ｄ＝sinα＋sinβ …（１）
本実施形態では、図１に示す通り、回折格子１４の回折面１４ａにおけるレーザ光の入射側にプリズム１３が設けられているため、プリズム１３の屈折率をｎとすると以下の（２）式に示す関係が成り立つ。
λ／（ｄ・ｎ）＝sinα＋sinβ …（２）
以上の（１）式と（２）式とを比較すると、プリズム１３を設けることによって回折格子１４が備える格子の本数がｎ倍になる。このため、回折格子１４の波長選択性を向上させることができる。

平面ミラー１５は、回折格子１４によって回折されたレーザ光を反射するものであり、図中の点Ｃ１を回転中心として紙面に沿う回転方向Ｄ１，Ｄ２に回転（揺動）可能である。尚、平面ミラー１５の位置及び回転中心Ｃ１は、図５を用いて説明したリットマン配置の外部共振器型波長可変光源１００と同様の光路長の条件が満たされるよう決定される。尚、図１においては図示を省略しているが、本実施形態の外部共振器型波長可変光源１は、点Ｃ１を中心として紙面に沿う回転方向Ｄ１，Ｄ２に平面ミラー１５を回転させるための所定の回転機構を備える。この回転機構は、例えば、点Ｃ１を通って紙面に垂直な軸を回転軸とする回転モータと、この回転モータの回転軸に取り付けられた回転アームとを備えており、回転アームの所定の位置に平面ミラー１５が取り付けられることにより、上記の回転を実現するものである。

上記構成において、半導体レーザ１１から射出されたレーザ光は、コリメートレンズ１２によって平行光に変換された後に、入射角φ（ブリュースター角）をもってプリズム１３の斜面１３ａに入射する。斜面１３ａにレーザ光が入射すると屈折してビーム径が拡大される。このレーザ光は、プリズム中１３を進んで入射角αをもって回折格子１４の回折面１４ａに入射し、波長に応じた角度で回折される。ここで、斜面１３ａでレーザ光が拡大されるとともに、回折格子１４の回折面１４ａにおけるレーザ光の入射側にプリズム１３が設けられているため、回折格子１４での波長選択性が飛躍的に向上する。

回折格子１４で回折されたレーザ光のうち、平面ミラー１５が配置されている方向へ回折されたレーザ光は、平面ミラー１５で反射された後に再び回折格子１４の回折面１４ａに入射する。このレーザ光は再び回折格子１４で回折されて元の光路を逆向きに進んでコリメートレンズ１２に入射し、コリメートレンズ１２により集光されて半導体レーザ１１に入射する。半導体レーザ１１に入射したレーザ光のうち、一部が半導体レーザ１１の端面１１ｂで反射されて半導体レーザ１１内部を逆向きに進んで再びコリメートレンズ１２側に射出され、残りが端面１１ｂから半導体レーザ１１の外部に射出される。

ここで、点Ｃ１を中心として平面ミラー１５を図１中の符号Ｄ１を付した方向に回転させると、波数を変化させずにレーザ光の波長を長波長側に連続的に可変することができる。逆に、点Ｃ１を中心として平面ミラー１５を図１中の符号Ｄ２を付した方向に回転させると、波数を変化させずにレーザ光の波長を短波長側に連続的に可変することができる。

以上の通り、本実施形態の外部共振器型波長可変光源１によれば、回折格子１４の回折面１４ａにおけるレーザ光の入射側に、レーザ光に対する屈折率が１よりも大きなプリズム１３を設けているため、回折格子１４の格子の数を増加させることができ、回折格子１４での波長選択性を向上させることができる。これによりマルチモード発振が抑制されて、波長の可変範囲を拡大することができる。また、斜面１３ａおいてレーザ光を屈折させてビーム径を拡大しているため、回折格子１４での波長選択性を更に向上させることができる。

また、プリズム１３の射出面１３ｂを回折格子１４の回折面１４ａに対して傾斜させているため、共振器長誤差の波長毎のバラツキを小さくすることができ、これによりモードホップを抑制して波長の可変範囲を拡大することができる。更に、プリズム１３の斜面１３ａに対するレーザ光の入射角φをブリュースター角に設定しているため、反射損失を低減することができる。

次に、以上説明した本発明の一実施形態による外部共振器型波長可変光源１を備える光源装置について説明する。図４は、本発明の一実施形態による光源装置の構成を示すブロック図である。図４に示す通り、本実施形態の光源装置５０は、波長可変光源５１、ビームスプリッタ５２、受光器５３、ＬＤ駆動回路５４、回転機構駆動回路５５（波長可変部）、温度制御回路５６、及びＣＰＵ（中央処理装）５７を備える。

波長可変光源５１は、前述した外部共振器型波長可変光源１である。ビームスプリッタ５２は、波長可変光源５１から射出されるレーザ光Ｌ０の一部（例えば、数％程度）を反射し、残りを透過する。ビームスプリッタ５２を透過したレーザ光Ｌ１は光源装置５０から外部に出力される。受光器５３は、ビームスプリッタ５２で反射されたレーザ光Ｌ２を受光してレーザ光Ｌ２の強度に応じたモニタ信号Ｓ１を出力する。ＬＤ駆動回路５４は、ＣＰＵ５７の制御の下で、受光器５３からのモニタ信号Ｓ１を用いて波長可変光源５１が備える半導体レーザ１１を駆動する。尚、半導体レーザ１１は、ＬＤ駆動回路５４によってフィードバック制御される。

回転機構駆動回路５５は、ＣＰＵ５７の制御の下で、波長可変光源５１が備える平面ミラー１５（図１参照）を駆動し、波長可変光源５１から射出されるレーザ光Ｌ０の波長を可変させる。温度制御回路５６は、ＣＰＵ５７の制御の下で、温度制御装置（図示省略）を制御して半導体レーザ１１等を収容するケース（図示省略）を恒温化する。ＣＰＵ５７は、上記のＬＤ駆動回路５４、回転機構駆動回路５５、及び温度制御回路５６を統括的に制御してスペクトル線幅が狭く波長安定性が良いレーザ光を射出させ、レーザ光の波長を連続的に可変させる。尚、以上説明した光源装置５０は、例えば光通信を行うための光源、或いは光計測技術で使用される光源として用いられるが、波長を可変する必要のある種々の分野においても用いることができる。

以上、本発明の実施形態による外部共振器型波長可変光源及び光源装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では回折格子１４がプリズム１３に一体形成されている場合について説明したが、プリズム１３が回折格子１４に対して貼り付けられていても良い。尚、プリズム１３を回折格子１４に貼り付けるには、プリズム１３の屈折率、又はプリズム１３の屈折率とほぼ等しい屈折率を有する接着剤を用いるのが望ましい。

本発明の一実施形態による外部共振器型波長可変光源の構成を示す図である。 プリズム１３内におけるレーザ光の光路の一例を示す図である。 回折面１４ａに対する射出面１３ｂの角度を変化させた場合における、波長毎の共振器長誤差を示すグラフを示す図である。 本発明の一実施形態による光源装置の構成を示すブロック図である。 従来の外部共振器型波長可変光源の一例を示す図である。

符号の説明

１ 外部共振器型波長可変光源
１１ 半導体レーザ
１１ｂ 端面
１３ プリズム
１３ｂ 射出面
１４ 回折格子
１４ａ 回折面
１５ 平面ミラー
５０ 光源装置
５５ 回転機構駆動回路

Claims (6)

1. レーザ光を射出する光源と、当該光源からのレーザ光が回折面に入射される回折格子と、当該回折格子で回折されたレーザ光のうちの一部を前記回折格子に向けて反射する移動可能な反射鏡とを備え、前記光源の端面と前記反射鏡とが共振器をなす外部共振器型波長可変光源において、
   前記回折格子の回折面における前記レーザ光の入射側に、屈折率が１よりも大きな光学素子を備えることを特徴とする外部共振器型波長可変光源。
2. 前記光学素子は、前記回折格子で回折されたレーザ光が射出される射出面が、前記回折格子の回折面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の外部共振器型波長可変光源。
3. 前記光学素子は、前記回折格子が一体形成されて前記回折面とされる底面と、前記射出面とされる上面とを有する断面台形形状の光学プリズムであることを特徴とする請求項２記載の外部共振器型波長可変光源。
4. 前記光学素子は、前記光源からのレーザ光を屈折させた上で前記回折格子の回折面に入射させることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の外部共振器型波長可変光源。
5. 前記光学素子に対する前記レーザ光の入射角がブリュースター角に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の外部共振器型波長可変光源。
6. 波長が可変であるレーザ光を射出する光源装置において、
   請求項１から請求項５の何れか一項に記載の外部共振器型波長可変光源と、
   前記外部共振器型波長可変光源が備える前記反射鏡の移動量を制御して、前記レーザ光の波長を可変させる波長可御部と
   を備えることを特徴とする光源装置。

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