JP2011114835A - Ｌｄ発光検出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＮＵ内において連続発光障害が発生した場合に、ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ程度の低い光レベルにて連続発光する状態を安定して高精度に検出することができるＬＤ発光検出回路を得ること。
【解決手段】レーザダイオード１のアノードと電源との間に設けられ、レーザダイオード１に流れる電流と同じか、もしくは任意の比率で増幅した電流を出力する電流検出電流出力回路２と、電流検出電流出力回路２から出力される電流を電圧に変換し、増幅して出力する電流電圧変換増幅回路３と、電流電圧変換増幅回路３から出力される電圧値とレーザダイオード１の発光検出レベルに応じて予め設定された所定の基準電圧値とを比較するコンパレータ５と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信システムに関するものであり、特に、アクセス系光通信システムの一つの方式であるＰＯＮ（Passive Optical Network）システムにおいて加入者側装置ＯＮＵ(Optical Network Unit）に搭載するバースト光送信器のレーザダイオードの発光状態を検出するＬＤ発光検出回路に関するものである。

近年、光ファイバを用いた公衆回線網を実現する方式として、ＰＯＮシステムと呼ばれるポイント・トゥ・マルチポイントのアクセス系光通信システムが広く用いられている。

ＰＯＮシステムは、局側装置である1台のＯＬＴ（Optical Line Terminal）と、光スターカプラを介して接続される複数の加入者端末装置であるＯＮＵにより構成される。多数のＯＮＵに対して、ＯＬＴと伝送路である光ファイバの大部分は共有できるため、運用コストの経済化が期待できることや、光スターカプラは受動部品であるので給電が必要なく屋外設置が容易であり、信頼性も高いという利点があることから、ブロードバンドネットワークを実現する切り札として近年活発に導入が進められている。

例えば、ＩＥＥＥ８０２．３ａｈで規格化されている伝送速度が１．２５Ｇｂｉｔ／ｓのＧＥ−ＰＯＮ（Gigabit Ethernet（登録商標） - Passive Optical Network）においては、ＯＬＴからＯＮＵへの下りは、光波長１．４９μｍ帯を利用し、各ＯＮＵが自局に割り当てられたタイムスロットの自局宛データのみ取り出す同報通信方式を用いている。一方、各ＯＮＵからＯＬＴへの上りは、光波長１．３１μｍ帯を利用し、各ＯＮＵのデータが衝突しないように送出タイミングを制御する時分割多重通信方式を用いている。

また、近年、ＩＥＥＥ８０２．３ａｖでは、１０．３Ｇｂｉｔ／ｓの１０Ｇ−ＥＰＯＮ（10Gigabit-Ethernet（登録商標） Passive Optical Network）の国際標準化が２００９年９月に完了しており，本規格においても、各ＯＮＵからＯＬＴへの上りは、ＧＥ−ＰＯＮと同様に時分割多重通信方式を用いている。

時分割多重通信方式においては、当然ではあるが各ＯＮＵのデータが衝突しないことが前提となっている。しかし、ＯＮＵ側において何らかの障害が発生し、バースト光送信器の光出力が停止しない、連続発光障害が発生することが考えられる。この連続発光障害が発生した場合は、障害を発生した時点以降において、ＯＬＴに接続された全てのＯＮＵとの通信が不能となる重大な障害となる。

ＩＥＥＥ８０２．３ａｈならびにＩＥＥＥ８０２．３ａｖにおいては、ＯＮＵが光パケットを送信しない場合の光出力レベルが−４５ｄＢｍ以下と規定されている。したがって、各ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ以上であるかどうかを検出する必要がある。

ＯＮＵ用バースト光送信器のＬＤ発光検出回路の構成としては、様々な方式が提案されているが、例えば特許文献１においては、レーザダイオードが発光しない故障を検出する回路として、レーザダイオードのアノード側と電源間に抵抗を設け、本抵抗とレーザダイオードに流れる電流により発生する電圧を基準電圧と比較することによりレーザダイオードの電流駆動状態を検出し、レーザダイオードの背面光を受光するフォトダイオード（以下「ＰＤ」という）を設け、ＰＤの出力電流を電圧に変換し、その電圧を基準電圧と比較することによりレーザダイオードの発光状態を検出し、２つの検出結果を論理処理することにより、レーザダイオードに電流が流れている場合において発光しない状態を検出する方式が開示されている。

また、例えば特許文献２においては、ＬＤを駆動するバイアス電流および変調電流の元電流源出力に抵抗を設け、この２つの抵抗の両端の電圧を検出することによりＬＤに流れる電流をモニタする方式が開示されている。

特開２００１−３５２１２２号公報 特開平２−１９６４８２号公報

しかしながら、上記特許文献１に示された技術では、ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ程度の低いレベルにて連続発光する状態を検出することができない。正常にパケットを出力している状態のＯＮＵの光出力レベルは、ＩＥＥＥ８０２．３ａｖＰＲ３０規格より最大＋９ｄＢｍである。この場合において、例えばレーザダイオードと光ファイバとの結合効率を２５％、レーザダイオードの微分量子効率を０．３（Ｗ／Ａ）とすると、約１００ｍＡ程度の電流がレーザダイオードのアノードと電源との間の抵抗に流れる。ここで、仮に抵抗による電圧降下を最大０．１Ｖ程度と見込むと、抵抗値は１Ω以下である。一方、ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍである場合において、レーザダイオードと光ファイバとの結合効率およびレーザダイオードの微分量子効率を上述した値とした場合、約３５０μＡの電流がレーザダイオードのアノードと電源との間の抵抗に流れる。このとき、レーザダイオードのアノードと電源との間の抵抗による電圧降下は０．３５ｍＶと極めて小さな値となるため、一般的な識別回路ではＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ程度の低いレベルにて連続発光する状態を検出できない、という問題があった。

また，上記特許文献２に示された技術では、近年の伝送速度の高速化に伴い、レーザダイオードと並列に抵抗を接続して抵抗の両端電圧を検出し、電圧値に相当する電流値を求めているが、レーザダイオードに実際に流れる電流を検出するものではない。このため、ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ程度の低いレベルにて連続発光している状態を正確に検出できない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＰＯＮシステムのＯＮＵ側バースト光送信器において、ＯＮＵ内において連続発光障害が発生した場合に、ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ程度の低い光レベルにて連続発光する状態を高精度に検出可能とするＬＤ発光検出回路を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、バースト信号によって駆動されるレーザダイオードの駆動電流の有無を検出することにより当該レーザダイオードの発光有無を検出するＬＤ発光検出回路であって、前記レーザダイオードのカソードと電源との間に設けられ、前記レーザダイオードに流れる電流と同じか、もしくは任意の比率で増幅した電流を出力する電流検出電流出力回路と、前記電流検出電流出力回路から出力される電流を電圧に変換し、増幅して出力する電流電圧変換増幅回路と、前記電流電圧変換増幅回路から出力される電圧値と前記レーザダイオードの発光検出レベルに応じて予め設定された所定の基準電圧値とを比較するコンパレータと、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、ＯＮＵ内において連続発光障害が発生した場合に、ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ程度の低い光レベルにて連続発光する状態を高精度に検出できる、という効果を奏する。

図１は、ＰＯＮシステムにおけるＯＮＵの連続発光故障を説明する図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかるＬＤ発光検出回路の一構成例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態２にかかるＬＤ発光検出回路の一構成例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態３にかかるＬＤ発光検出回路の一構成例を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態４にかかるＬＤ発光検出回路の一構成例を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態５にかかる電流電圧変換増幅回路の一構成例を示す図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかるＬＤ発光検出回路を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、ＰＯＮシステムにおけるＯＮＵの連続発光故障を説明する図である。図１に示すように、ＯＬＴに接続されたＯＮＵが全て正常である場合には、各ＯＮＵ毎に異なる光出力レベルの光パケットが時分割多重通信方式でＯＬＴに送信される（図１上図の破線枠内参照）。一方、例えばＯＮＵｂにおいて連続発光故障が発生した場合には、ＯＮＵｂにおける連続発光故障発生以降の全てのＯＮＵとＯＬＴとの間の通信が不能となる（図１下図の破線枠内参照）。また、背景技術の段落「０００７」に記載した通り、ＩＥＥＥ８０２．３ａｈならびにＩＥＥＥ８０２．３ａｖにおいては、ＯＮＵが光パケットを送信しない場合の光出力レベルが−４５ｄＢｍ以下と規定されている。そこで、本実施の形態では、各ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ程度の低い光レベルにて連続発光する状態を高精度に検出可能なＬＤ発光検出回路を構成する。

図２は、本発明の実施の形態１にかかるＬＤ発光検出回路の一構成例を示す図である。図２に示すように、実施の形態１にかかるＬＤ発光検出回路１００は、電流検出電流出力回路２、電流電圧変換増幅回路３、ＡＣ／ＤＣ変換回路４、コンパレータ５、および基準電圧源６を備えている。

また、電流検出電流出力回路２は、ＰＮＰ型トランジスタ２１およびＰＮＰ型トランジスタ２２を備えている（以下、ＰＮＰ型トランジスタを単に「トランジスタ」という）。トランジスタ２１は、エミッタが正電源８に接続され、コレクタおよびベースがレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という）１のアノードに接続されている。トランジスタ２２は、エミッタが正電源８に接続され、ベースがトランジスタ２１のベースと接続されている。これらのトランジスタ２１およびトランジスタ２２は、トランジスタ２１を親電流源側、トランジスタ２２を子電流源側としてカレントミラー回路を構成している。

なお、図２において、ＬＤ１、正電源８、バイアス電流源９、変調電流源１０、変調回路１１、および負電源１４は、実施の形態１にかかるＬＤ発光検出回路１００が適用されるバースト光送信器の構成要素である。

つぎに、実施の形態１にかかるＬＤ発光検出回路１００の動作について、図２を参照して説明する。

ＬＤ１を発光させるためのＬＤ駆動電流として、バイアス電流源９から供給されるバイアス電流Ｉｂｉａｓと、変調回路１１にバースト信号が入力されることにより変調電流源１０から供給される変調電流ＩｍｏｄとがＬＤ１へ入力されると、ＬＤ１が励起発振して発光する。このとき、電流検出電流出力回路２を構成するカレントミラー回路の親電流源トランジスタ２１のコレクタよりＬＤ駆動電流が流れ出るが、親電流源トランジスタ２１にＬＤ駆動電流が流れると、カレントミラー回路の子電流源トランジスタ２２のコレクタよりＬＤ駆動電流と同じ値の電流が流れ出る。

電流電圧変換増幅回路３は、この電流を電圧に変換して増幅し、ＡＣ／ＤＣ変換回路４に出力する。

ＡＣ／ＤＣ変換回路４は、電流電圧変換増幅回路３の出力である電圧値をＤＣ電圧値に変換し、コンパレータ５に出力する。

コンパレータ５は、このＤＣ電圧値と所定の基準電圧値とを比較する。ここで、所定の基準電圧値は、ＬＤ１の発光検出レベルに応じて、予め基準電圧源６に設定された値である。すなわち、コンパレータ５は、ＤＣ電圧値と所定の基準電圧値とを比較することにより、ＬＤの発光有無を識別する。

つぎに、具体的な数値により実施の形態１にかかるＬＤ発光検出回路１００の動作を検証する。ＩＥＥＥ８０２．３ａｈならびにＩＥＥＥ８０２．３ａｖにおいては、ＯＮＵが光パケットを送信しない場合のＯＮＵの光出力の発光レベルは、上述のとおり−４５ｄＢｍ以下に規定されている。したがって、連続発光障害が発生した場合でも、ＬＤの光出力レベルは−４５ｄＢｍ以下が規定となる。この場合、例えばＬＤ１と光ファイバの結合効率を２５％、ＬＤ１の微分量子効率を０．３（Ｗ／Ａ）とすると、約３５０μＡの電流が流れることとなる。この電流と同値の電流が電流電圧変換増幅回路３に入力され、例えば電流電圧変換増幅回路３の電流電圧変換率を１０００倍とすると、約３５０ｍＶの電圧に変換される。３５０ｍＶの振幅であれば十分に識別可能であり、コンパレータ５において、安定的に−４５ｄＢｍのＯＮＵ光出力レベルの検出が可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態１にかかるＬＤ発光検出回路によれば、カレントミラー回路を用いてＬＤに流れる電流と同じ値の電流を検出し、検出した電流を電圧に変換し増幅して、ＤＣ値に変換した後に所定の基準電圧値と比較することにより、ＬＤの発光状態を検出するようにしたので、ＯＮＵ内において連続発光障害が発生した場合において、安定的に−４５ｄＢｍ程度のＯＮＵ光出力レベルの検出が可能となり、高精度なＬＤ発光検出が実現できる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２にかかるＬＤ発光検出回路の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図３に示すように、実施の形態２にかかるＬＤ発光検出回路２００は、変調回路１１に入力されるバースト信号の低周波遮断周波数より十分に低い周波数のトーン信号を発生するトーン信号発生回路１３、トーン信号をバイアス電流Ｉｂｉａｓに重畳する第１の加算回路１６、およびトーン信号を変調電流Ｉｍｏｄに重畳する第２の加算回路１７をさらに備えている。

また、電流検出電流出力回路２ａは、トランス２３および共振回路２４を備えている。

トランス２３は、一次側コイルの一端が正電源８に接続され、他端がＬＤ１のアノードに接続されている。また、トランス２３は、二次側コイルの一端が正電源８に接続され、一次側コイルに電流が流れることにより一次側コイルと二次側コイルとの巻線比に応じた電流が二次側コイルに流れる。なお、トランス２３のインダクタンス値をバースト信号の周波数に対して十分に小さくすることにより、ＬＤ１と正電源８との間の電圧降下を数ｍＶ程度に抑えることができる。なお、巻線比を１：１とすれば、実施の形態１と同様に一次側コイルに流れる電流と同じ値の電流が二次側コイルに流れるが、巻線比を変えることにより任意の電流比となる。

共振回路２４は、コンデンサとコイルとが並列に接続された並列共振回路であり、トランス２３の二次側コイルと並列に接続されている。また、共振回路２４の共振周波数は、上述したトーン信号の周波数としている。

つぎに、実施の形態２にかかるＬＤ発光検出回路２００の動作について、図３を参照して説明する。実施の形態１と同一符号の構成要素は、実施の形態１と同一の動作をする。実施の形態１との差異は、変調回路１１に入力されるバースト信号の低周波遮断周波数より十分に低い周波数のトーン信号をバイアス電流Ｉｂｉａｓおよび変調電流Ｉｍｏｄに重畳している点である。

電流検出電流出力回路２ａは、トランス２３の一次側コイルを流れる電流から共振回路２４の共振周波数と一致するトーン信号のみを抽出し、電流電圧変換増幅回路３に出力する。

ここで、電流検出電流出力回路２ａにおいてトランス２３の一次側コイルを流れる電流からトーン信号のみが抽出される原理について説明する。共振回路２４の共振周波数、すなわちトーン信号の周波数では、共振回路２４のインピーダンスが最大となり、トランス２３の二次側コイルには共振回路２４が接続されていない状態と等価となる。このため、トランス２３はトランスとして機能し、二次側コイルには巻線比に応じた電流が流れる。一方、変調電流Ｉｍｏｄはトーン信号より十分に高い周波数成分であるので、二次側コイルに並列に接続される共振回路２４のコンデンサは短絡された状態と等価となり、トランス２３はトランスとして機能しなくなる。このため、変調電流Ｉｍｏｄに対応する電流は、二次側コイルに流れない。

以上のように、本発明の実施の形態２にかかるＬＤ発光検出回路によれば、電流検出電流出力回路にトランスを用いたので、トランスのインダクタンス値をバースト信号の周波数に対して十分に小さくすることにより、ＬＤと正電源との間の電圧降下を数ｍＶ程度に小さくでき、実施の形態１と比較しても電力効率の良いＬＤ発光検出が実現できる。

また、トランスの一次側コイルを流れる電流から共振回路の共振周波数と一致するトーン信号のみを抽出し、ＬＤの光出力レベルを検出することができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３にかかるＬＤ発光検出回路の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図４に示すように、実施の形態３にかかるＬＤ発光検出回路３００は、実施の形態１の構成に加えて、ＬＤ１の背面光をモニタするフォトダイオード（以下、「ＰＤ」という）１５をさらに備えている。

ＰＤ１５は、ＬＤ１のアノードと電流電圧変換増幅回路３との間に接続され、ＬＤ１の発光に応じた電流を電流電圧変換増幅回路３へ入力すると共に、ＰＤ１５にも電流が流れることによりカレントミラー回路の親電流源トランジスタ２１から流れ出る電流も増え、これに併せて子電流源トランジスタ２２から流れ出る電流も増えるため、電流電圧変換増幅回路３へはＰＤ１５に流れる電流の２倍の電流を入力することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態３にかかるＬＤ発光検出回路によれば、ＬＤの背面光をモニタするＰＤを備え、ＬＤの発光に応じてＰＤに流れる電流を電流電圧変換増幅回路に加算入力するようにしたので、連続発光障害発生時における低い光出力レベルの判定に必要な電流量を増大させ、実施の形態１よりも感度の高いＬＤ発光検出を実現できる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４にかかるＬＤ発光検出回路の一構成例を示す図である。なお、実施の形態２と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、実施の形態４にかかるＬＤ発光検出回路４００は、実施の形態２の構成に加えて、実施の形態３と同様に、ＬＤ１の背面光をモニタするＰＤ１５をさらに備えている。

ＰＤ１５は、実施の形態３と同様に、ＬＤ１のアノードと電流電圧変換増幅回路３との間に接続され、ＬＤ１の発光に応じた電流を電流電圧変換増幅回路３へ入力すると共に、ＰＤ１５にも電流が流れることによりトランス２３の一次側コイルから流れ出る電流も増え、これに併せて二次側コイルから流れ出る電流も増えるため、電流電圧変換増幅回路３へはＰＤ１５に流れる電流の２倍の電流を入力することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態４にかかるＬＤ発光検出回路によれば、ＬＤの背面光をモニタするＰＤを備え、ＬＤの発光に応じてＰＤに流れる電流を電流電圧変換増幅回路に加算入力するようにしたので、連続発光障害発生時における低い光出力レベルの判定に必要な電流量を増大させ、実施の形態２よりも感度の高いＬＤ発光検出を実現できる。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５にかかる電流電圧変換増幅回路の一構成例を示す図である。図６に示すように、実施の形態５にかかるＬＤ発光検出回路５００は、上述した実施の形態１〜４にかかるＬＤ発光検出回路１００，２００，３００，４００の電流電圧変換増幅回路３を、トランスインピーダンスアンプ２５により構成し、帰還抵抗２６の値により電流電圧変換率を設定する。

以上のように、本発明の実施の形態５にかかるＬＤ発光検出回路によれば、電流電圧変換増幅回路をトランスインピーダンスアンプにより構成したので、帰還抵抗値により電流電圧変換率を容易に設定することが可能となる。

なお、実施の形態では、電流電圧変換増幅回路の出力である電圧値をＤＣ電圧値に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路を用いているが、ＡＣ／ＤＣ変換回路を用いず、電流電圧変換増幅回路の出力である電圧値が所定の基準電圧値を超えたことを検出する構成でもよい。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかるＬＤ発光検出回路は、ＯＮＵ内において連続発光障害が発生した場合に、ＯＮＵの光出力レベルが−４５ｄＢｍ程度の低い光レベルにて連続発光する状態を安定して高精度に検出することができる発明として有用である。

１ レーザダイオード（ＬＤ）
２，２ａ 電流検出電流出力回路
３ 電流電圧変換増幅回路
４ ＡＣ／ＤＣ変換回路
５ コンパレータ
６ 基準電圧源
８ 正電源
９ バイアス電流源
１０ 変調電流源
１１ 変調回路
１３ トーン信号発生回路
１４ 負電源
１５ フォトダイオード（ＰＤ）
１６，１７ 加算回路
２１，２２ ＰＮＰ型トランジスタ
２３ トランス
２４ 共振回路
２５ トランスインピーダンスアンプ
２６ 帰還抵抗
１００，２００，３００，４００ ＬＤ発光検出回路

Claims (5)

1. バースト信号によって駆動されるレーザダイオードの駆動電流の有無を検出することにより当該レーザダイオードの発光の有無を検出するＬＤ発光検出回路であって、
   前記レーザダイオードのアノードと電源との間に設けられ、前記レーザダイオードに流れる電流と同じか、もしくは増幅した電流を出力する電流検出電流出力回路と、
   前記電流検出電流出力回路から出力される電流を電圧に変換し、増幅して出力する電流電圧変換増幅回路と、
   前記電流電圧変換増幅回路から出力される電圧値と前記レーザダイオードの発光検出レベルに応じて設定された所定の基準電圧値とを比較するコンパレータと、
   を備える
   ことを特徴とするＬＤ発光検出回路。
2. 前記電流検出電流出力回路は、親電流源ＰＮＰ型トランジスタおよび子電流源ＰＮＰ型トランジスタを有するカレントミラー回路により構成され、
   前記カレントミラー回路は、前記親電流源ＰＮＰ型トランジスタのコレクタを前記レーザダイオードのアノードに接続し、前記親電流源ＰＮＰ型トランジスタのエミッタを前記正電源に接続し、前記子電流源ＰＮＰ型トランジスタのコレクタを前記電流電圧変換増幅回路に接続して構成されることを特徴とする請求項１に記載のＬＤ発光検出回路。
3. 前記バースト信号の低周波遮断周波数より十分に低い周波数のトーン信号を発生し、前記レーザダイオードを駆動するバイアス電流と変調電流とに前記トーン信号を重畳するトーン信号発生回路をさらに備え、
   前記電流検出電流出力回路は、前記レーザダイオードのカソードと前記正電源との間に設けられた１次側コイルおよび前記電流電圧変換増幅回路と前記正電源との間に設けられた２次側コイルからなるトランス回路と、前記２次側コイルと並列に接続されたコンデンサおよびコイルの並列回路からなる共振回路とにより構成され、
   前記共振回路は、前記トーン信号の周波数を共振周波数とすることを特徴とする請求項１に記載のＬＤ発光検出回路。
4. 前記レーザダイオードの背面光をモニタするフォトダイオードをさらに備え、
   前記レーザダイオードのアノードに前記フォトダイオードのカソードを接続し、前記フォトダイオードのアノードを前記電流電圧変換増幅回路に接続し、前記フォトダイオードに流れる電流を前記電流電圧変換増幅回路に加算入力することを特徴とする請求項２または３に記載のＬＤ発光検出回路。
5. 前記電流電圧変換増幅回路は、トランスインピーダンス回路により構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＬＤ発光検出回路。

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