JP2012027291A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】適切な調整許容量でレーザダイオードと光ファイバとの光結合をすることを可能とすると共に、小型化を容易に低コストで実現することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュール１０は、レーザダイオード１４ａ〜１４ｄから出射された波長λ１〜λ４の光をそれぞれ集光する第１の集光レンズ１８ａ〜１８ｄと、集光された波長λ１と波長λ３の光を合波する第１の合波フィルタ２１ａと、集光された波長λ２と波長λ４の光を合波する第２の合波フィルタ２１ｂと、第１の合波フィルタ２１ａにより合波された光と第２の合波フィルタ２１ｂにより合波された光とを合成する合成フィルタ２２と、その合成フィルタ２２により合成された光を集光する第２の集光レンズ１９とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ケーブルに接続される光モジュールに関するものである。

光通信に用いられる送信用光モジュールは、レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）からの光を信号光として用いており、この信号光をレンズにより集光して通信用の光ファイバに結合している。受信用光モジュールは、光ファイバを通して送られてきた信号光を、レンズにより集光して受信用のフォトダイオード（ＰＤ：Photodiode）で受光している。また、１本の光ファイバを用いて前記の送信と受信の双方を行う一心双方向の送受信光モジュールもある。

このような光デバイスと光ファイバとの光結合を２レンズで行う場合、光ファイバと一方のレンズとで平行ビームを形成し、また他方のレンズと光デバイスとで平行ビームを形成し、形成した２つの平行ビームの位置合わせが行われる。このような平行ビーム光学系を利用した光モジュールを開示している文献として、例えば特許文献１，２，３が挙げられる。

特開２００８−９０２３１号公報 特開２００５−３０９３７０号公報 米国特許第６２０１９０８号明細書

しかしながら、平行ビーム光学系を利用した光モジュールでは、大きな光出力を得るための平行ビームの調整が複雑となり、光モジュールの生産性が低くなるという問題がある。具体的には、平行ビームの調整には±数μｍ程度の精度が要求され、また角度の許容量が小さく調整軸も多くなる。さらに、調整ができたか否かは平行ビームを示す画像を視覚的に確認することにより判定するので調整の度合いの数値化が困難であり、このことが平行ビームの調整をさらに困難にしている。

特に、特許文献１の光モジュールでは、平行ビーム光学系を採用しているため、４つの光フィルタ、光ファイバのファイバ端に設けられるファイバコリメートレンズ、レーザダイオードに集光位置をもつ４つのコリメートレンズが必要となる。この光モジュールの組み立てでは、まずファイバコリメートレンズが基準となる所定の位置に設置され、設置されたファイバコリメートレンズに対してビームが平行となるよう光ファイバ、光フィルタ、コリメートレンズの位置が調整される。

また、光モジュールを組み立てる際、レーザダイオードと光ファイバとを高効率で光結合するためには、レーザダイオードのスポットサイズ（約１μｍ）と光ファイバのスポットサイズ（約５μｍ）とを一致させる必要もある。この場合、まずレーザダイオードとコリメートレンズとを組み立て、その後に光ファイバとファイバコリメートレンズとを組み立てるのが良い。光ファイバとファイバコリメートレンズとを先に組み立ててしまうと、レーザダイオードのスポットサイズは約１μｍであるため、この精度で光ファイバとレーザダイオードとを光結合する必要が生じるからである。しかし、特許文献１の光モジュールでは、１本の光ファイバに４つのレーザダイオードを光結合する必要があるため、最後にレーザダイオードとコリメートレンズとを組み立てる必要があり、光結合に高い精度が要求されることとなる。

また、コリメートレンズ間の光結合は角度に対する許容誤差が小さいという問題もある。図９は、コリメートレンズに対する光線入射角度のずれによる光結合の結合損失の試験結果を示す図である。この試験では、図９（Ｂ）に示すように、コリメートレンズと対物レンズとの離間距離を５ｍｍ、コリメートレンズとファイバ端とのワークディスタンスを１．７６２ｍｍ、対物レンズとレーザダイオードとのワークディスタンスを０．２９７ｍｍとしている。そして、レーザダイオードを光軸と直交する方向に位置ずれさせることにより光の入射角度を変更し、各位置での結合損失を測定している。図９（Ａ）は、光線入射角度が５度ずれることによって、−０．５ｄＢもの結合損失が生じてしまうことを示している。このため、特許文献１の光モジュールでは、光の入射角度に対しても高い精度での調整が必要となってしまう。

また、特許文献１の光モジュールでは、４つの光フィルタを用いて波長の異なる４つの光を合波しているが、光モジュールの小型化を考慮した場合は光フィルタと入射光との角度を４５度にする必要がある。この場合、４つの光の波長間隔が小さくなると、光フィルタの光入射角依存性により、光フィルタの角度を高い精度で調整することや、コリメートレンズを透過した光の広がり角度を高い精度で調整することが必要となってくる。

本発明は上述した実状に鑑みてなされたもので、適切な調整許容量でレーザダイオードと光ファイバとの光結合をすることを可能とすると共に、小型化を容易に低コストで実現することができる光モジュールを提供することを目的とする。

本発明による光モジュールは、少なくとも４つの光素子から出射された互いに波長の異なる光を合波して各光素子と光ファイバとを光結合する光モジュールで、第１の光素子から出射された第１の波長λ１、第２の光素子から出射された第２の波長λ２、第３の光素子から出射された第３の波長λ３、第４の光素子から出射された第４の波長λ４の光をそれぞれ集光する第１の集光レンズと、集光された第１の波長λ１と第３の波長λ３の光を合波する第１の合波フィルタと、集光された第２の波長λ２と第４の波長λ４の光を合波する第２の合波フィルタと、第１の合波フィルタにより合波された光と第２の合波フィルタにより合波された光とを合成する合成フィルタと、その合成フィルタにより合成された光を集光する第２の集光レンズとからなる。

本発明による光モジュールは、光ファイバと合成フィルタとの間の光路中に光アイソレータを配したものとすることができる。
また、第１〜第４の波長は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４とすることができる。
また、第２の集光レンズの一方のビームウエスト位置を第１の合波フィルタの面上、第２の合波フィルタの面上とすることができる。
また、第２の集光レンズの像倍率は、例えば等倍とされる。

本発明の光モジュールによれば、適切な調整許容量でレーザダイオードと光ファイバとの光結合をすることを可能とすると共に、小型化を容易に低コストで実現することができる。

図１は、本実施形態に係る光モジュールの例を示す図である。 図２は、光アイソレータについて説明する概念図である。 図３は、本実施形態に係る光アイソレータの結合損失と常光および異常光間の分離距離との関係を示す図である。 図４は、Ｐ波透過損失と波長との関係を示す図である。 図５は、スポットサイズおよび入射光の広がり角度とビームウエストからの距離との関係を示す図である。 図６は、Ｓ波透過損失と波長との関係を示す図である。 図７は、Ｐ波挿入損失およびＳ波挿入損失と波長との関係を示す図である。 図８は、本実施形態に係る光モジュールの寸法の一例を示す図である。 図９は、コリメートレンズに対する光線入射角度のずれによる光結合の結合損失の試験結果を示す図である。

本発明による光モジュールの概略を説明する。図１は、本実施形態に係る光モジュール１０の例を示す図である。光モジュール１０は、波長の異なる信号光（波長λ１〜λ４）を発生させる４つのレーザダイオード１４ａ〜１４ｄからなる送信用の光モジュールである。

この光モジュール１０は、ファイバ集光レンズホルダー１１、合波フィルタホルダー１２、レーザダイオード１４ａ〜１４ｄ、スリーブ１５、送信ユニット１６ａ〜１６ｄ、ジョイントスリーブ１７ａ〜１７ｄ、第１の集光レンズ１８ａ〜１８ｄ、第２の集光レンズ１９、光アイソレータ２０、第１と第２の合波フィルタ２１ａ，２１ｂ（ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）フィルタ）、合成フィルタ２２を備える。ここで、第１の合波フィルタ２１ａは、送信ユニット１６ａ，１６ｃにより出射される光の進行方向に対して約４５度の角度となるように設置される。また、第２の合波フィルタ２１ｂは、送信ユニット１６ｂ，１６ｄにより出射される光の進行方向に対して約４５度の角度となるように設置される。合成フィルタ２２は、第１と第２の合波フィルタ２１ａ，２１ｂにより合波された光の進行方向に対して約４５度の角度となるように設置される。合成フィルタ２２は、偏波を合成するフィルタである。本実施形態では、合成フィルタ２２は、第１の合波フィルタ２１ａにより合波された光のＰ波（parallel）成分と第２の合波フィルタ２１ｂにより合波された光のＳ波（senkrecht）成分とを合成する。

ファイバ集光レンズホルダー１１の一方の端部には、光ファイバ１３を収容保持するスリーブ１５が接合され、反対側の端部に波長λ１の信号光を発光するレーザダイオード１４ａが実装された送信ユニット１６ａが接合される。また、ファイバ集光レンズホルダー１１の一方の側面には、波長λ３の信号光を発光するレーザダイオード１４ｃが実装された送信ユニット１６ｃが接合される。

ファイバ集光レンズホルダー１１の反対側の側面には、第２の合波フィルタ２１ｂを収容する合波フィルタホルダー１２が接合される。さらに、この合波フィルタホルダー１２の側面には、波長λ２の信号光を発光するレーザダイオード１４ｂが実装された送信ユニット１６ｂが接合される。また、この合波フィルタホルダー１２のもう１つの側面には、波長λ４の信号光を発光するレーザダイオード１４ｄが実装された送信ユニット１６ｄが接合される。

ファイバ集光レンズホルダー１１内の光路中には、第１の合波フィルタ２１ａ、合成フィルタ２２、第２の集光レンズ１９、光アイソレータ２０が配される。合波フィルタホルダー１２内の光路中には、第２の合波フィルタ２１ｂが配される。光アイソレータ２０は、入射光の偏波状態に依存しない偏波無依存型のアイソレータであり、ファイバ集光レンズホルダー１１の寸法に適合するよう、圧入、樹脂、ＹＡＧ（yttrium-aluminum-garnet）レーザによる溶接等で固定される。なお、この光アイソレータ２０は、第２の集光レンズ１９と合成フィルタ２２との間に配することとしてもよい。

図２は、光アイソレータ２０について説明する概念図である。この光アイソレータ２０は、図２に示すように、ルチルなどからなる複屈折結晶板２０ａ，２０ｄ、ファラデー回転子２０ｂ、λ／２波長板２０ｃを備える。光アイソレータ２０に光が順方向に入射する場合（図２（Ａ）の場合）、複屈折結晶板２０ａは、入射光の偏波方向に応じて、入射光を常光（まっすぐ進む光）と異常光（屈折して進む光）の２つの成分に分離する。常光と異常光との間の分離距離は、一般に結晶光軸方向の１／１０程度となる。ファラデー回転子２０ｂおよびλ／２波長板２０ｃは、順方向に入射した光の偏波方向を光の進行方向に対してそれぞれ時計回りに回転させる。そして、複屈折結晶板２０ｄは、常光と異常光とを再び結合させ、結合した光を光ファイバ１３に入射させる。

一方、光ファイバ１３から光が出射された場合（図２（Ｂ）の場合）、複屈折結晶板２０ｄは、光を常光と異常光とに分離するが、λ／２波長板２０ｃは、常光と異常光の偏波方向を光の進行方向に対して時計回りに回転させる。そして、ファラデー回転子２０ｂは、常光と異常光の偏波方向を光の進行方向に対して反時計回りに回転させるため、複屈折結晶板２０ａを常光と異常光とが透過すると、光は分離したままの状態となる。

光アイソレータ２０は、この原理を利用してレーザダイオード１４ａ〜１４ｄから出射された光の反射光の光路を逸らすことにより反射光を除去する。しかし、複屈折結晶板２０ａ，２０ｄの厚さが例えば０．５ｍｍであって、入射光が平行ビームである場合には、光アイソレータ２０が常光と異常光とを分離する分離距離はたかだか５０μｍ程度であるので、分離距離を十分大きくすることができない。そのため、本実施形態に係る光アイソレータ２０は、第１の集光レンズ１８ａ〜１８ｄと第２の集光レンズ１９を用いた集光ビーム光学系を採用している。これにより、上記反射光を効果的に除去することができる。

図３は、本実施形態に係る光アイソレータ２０の結合損失と常光および異常光間の分離距離との関係を示す図である。常光および異常光の間の分離距離が５０μｍである場合は図３には示されていないが、レーザダイオード１４ａ〜１４ｄと光ファイバ１３との間の結合損失を十分大きくすることができることが推測される（少なくとも−７７ｄＢ以下）。なお、図３の例では、光ファイバ１３と第２の集光レンズ１９との間の距離を４．３５ｍｍ、集光位置が第１の集光レンズ１８から５．８ｍｍとなる非球面レンズを用い、第２の集光レンズ１９の像倍率は約１（略等倍）としている。像倍率を約１とすることにより、第２の集光レンズ１９の集光特性のばらつきを低減することができる。

図１の説明に戻ると、ファイバ集光レンズホルダー１１内には、光ファイバ１３のファイバ端に一方のビームウエスト位置をもつ第２の集光レンズ１９が配される。第２の集光レンズ１９の他方のビームウエスト位置は、第１の合波フィルタ２１ａの面上になるように設定される。また、送信ユニット１６ａ〜１６ｄ内には、第１の集光レンズ１８ａ〜１８ｄが配される。

第１の集光レンズ１８ａの一方のビームウエスト位置はレーザダイオード１４ａの発光部に位置するように設定され、第１の集光レンズ１８ａの他方のビームウエスト位置は第１の合波フィルタ２１ａの第１の集光レンズ１８ａ側の面上になるように設定される。また、第１の集光レンズ１８ｂの一方のビームウエスト位置はレーザダイオード１４ｂの発光部に位置するように設定され、第１の集光レンズ１８ｂの他方のビームウエスト位置は第２の合波フィルタ２１ｂの第１の集光レンズ１８ｂ側の面上になるように設定される。また、第１の集光レンズ１８ｃの一方のビームウエスト位置はレーザダイオード１４ｃの発光部に位置するように設定され、第１の集光レンズ１８ｃの他方のビームウエスト位置は第１の合波フィルタ２１ａの第１の集光レンズ１８ｃ側の面上になるように設定される。さらに、第１の集光レンズ１８ｄの一方のビームウエスト位置はレーザダイオード１４ｄの発光部に位置するように設定され、第１の集光レンズ１８ｄの他方のビームウエスト位置は第２の合波フィルタ２１ｂの第１の集光レンズ１８ｄ側の面上になるように設定される。

そして、第２の集光レンズ１９の光路は、第１の合波フィルタ２１ａ、第２の合波フィルタ２１ｂ、および、合成フィルタ２２を用いて４方向に分岐される。レーザダイオード１４ａと光ファイバ１３とは、ファイバ集光レンズホルダー１１の光透過孔１１ａ，１１ｄを介して光結合され、レーザダイオード１４ｂと光ファイバ１３とは、合波フィルタホルダー１２の光透過孔１２ａ，１２ｃ、および、ファイバ集光レンズホルダー１１の光透過孔１１ｃ，１１ｄを介して光結合され、レーザダイオード１４ｃと光ファイバ１３とは、ファイバ集光レンズホルダー１１の光透過孔１１ｂ，１１ｄを介して光結合され、レーザダイオード１４ｄと光ファイバ１３とは、合波フィルタホルダー１２の光透過孔１２ｂ，１２ｃ、および、ファイバ集光レンズホルダー１１の光透過孔１１ｃ，１１ｄを介して光結合される。

それぞれの送信ユニット１６ａ〜１６ｄは、ｘ，ｙ，ｚ方向に位置を調整して調芯され、接着もしくは溶接などにより固定される。そして、レーザダイオード１４ａからの信号光（波長λ１）は、光路中に配された第１の集光レンズ１８ａ、第１の合波フィルタ２１ａ、合成フィルタ２２、第２の集光レンズ１９、光アイソレータ２０を経由して光ファイバ１３に入射する。レーザダイオード１４ｂからの信号光（波長λ２）は、第１の集光レンズ１８ｂ、第２の合波フィルタ２１ｂ、合成フィルタ２２、第２の集光レンズ１９、光アイソレータ２０を経由して光ファイバ１３に入射する。レーザダイオード１４ｃからの信号光（波長λ３）は、第１の集光レンズ１８ｃ、第１の合波フィルタ２１ａ、合成フィルタ２２、第２の集光レンズ１９、光アイソレータ２０を経由して光ファイバ１３に入射する。レーザダイオード１４ｄからの信号光（波長λ４）は、第１の集光レンズ１８ｄ、第２の合波フィルタ２１ｂ、合成フィルタ２２、第２の集光レンズ１９、光アイソレータ２０を経由して光ファイバ１３に入射する。

この光モジュール１０では、波長がλ１＜λ２＜λ３＜λ４の関係を有する場合に、例えば、レーザダイオード１４ａから出射された波長λ１の光のＰ波成分とレーザダイオード１４ｃから出射された波長λ３の光のＰ波成分とを第１の合波フィルタ２１ａを用いてＷＤＭ方式により合波する。図４は、Ｐ波透過損失と波長との関係を示す図である。例えば、λ１は１２９５．５６ｎｍ、λ２は１３００．０５ｎｍ、λ３は１３０４．５８ｎｍ、λ４は１３０９．１４ｎｍであるものとする。

図４には、第１の合波フィルタ２１ａに入射する光の広がり角度が±０．５度の場合のＰ波透過損失のばらつきが示されている。第１および第２の合波フィルタ２１ａ，２１ｂのＰ波の透過特性は、入射光の広がり角度に大きく影響されるが、この程度のばらつきにおいては、波長λ１の光のＰ波透過損失はほぼ０ｄＢであり、波長λ３のＰ波透過損失は−２０ｄＢ以下となるので、波長λ１の光のＰ波成分と波長λ３の光のＰ波成分とが効率よく合波される。

図５は、スポットサイズおよび入射光の広がり角度とビームウエストからの距離との関係を示す図である。本実施形態では、第１の集光レンズ１８ａ〜１８ｄおよび第２の集光レンズ１９のビームウエスト位置は第１または第２の合波フィルタ２１ａ，２１ｂの面上に設定される。この場合、入射光の広がり角度は約０度となり、スポットサイズは最小となる。また、ビームウエスト位置を第１または第２の合波フィルタ２１ａ，２１ｂの面上から±５０μｍの範囲に設定することにより、入射光の広がり角度を±０．５度以下にすることができる。このようにビームウエスト位置を第１または第２の合波フィルタ２１ａ，２１ｂの略面上とすることにより、入射光の広がり角度を約０度とすることができ、第１または第２の合波フィルタ２１ａ，２１ｂの性能を十分に発揮させることができるようになる。

さらに、この光モジュール１０では、レーザダイオード１４ｂから出射された波長λ２の光のＳ波成分とレーザダイオード１４ｄから出射された波長λ４の光のＳ波成分とを第２の合波フィルタ２１ｂを用いてＷＤＭ方式により合波する。図６は、Ｓ波透過損失と波長との関係を示す図である。

図６には、第２の合波フィルタ２１ｂに入射する光の広がり角度が±０．５度の場合のＳ波透過損失のばらつきが示されている。光の広がり角度がこの程度のばらつきであれば、波長λ２の光のＳ波透過損失は約０ｄＢであり、波長λ４のＳ波透過損失は−２０ｄＢ以下となるので、波長λ２の光のＳ波成分と波長λ４の光のＳ波成分とが効率よく合波される。

第１の合波フィルタ２１ａにより合波された光のＰ波成分と、第２の合波フィルタ２１ｂにより合波された光のＳ波成分とは、合成フィルタ２２により合成される。図７は、Ｐ波挿入損失およびＳ波挿入損失と波長との関係を示す図である。

図７に示すように、４つの入射光の波長λ１（１２９５．５６ｎｍ）、λ２（１３００．０５ｎｍ）、λ３（１３０４．５８ｎｍ）、λ４（１３０９．１４ｎｍ）については、Ｐ波挿入損失は−０．０５ｄＢ以上であり、Ｓ波挿入損失は−２０ｄＢ以下となる。よって、合成フィルタ２２は効率よくＰ波を透過し、またＳ波を反射するので、第１の合波フィルタ２１ａにより合波された光のＰ波成分と、第２の合波フィルタ２１ｂにより合波された光のＳ波成分とを効率よく合成することができる。

光モジュール１０を組み立てる際には、まず、第１の合波フィルタ２１ａと第２の合波フィルタ２１ｂとを固定し、光ファイバ１３の位置をｘ，ｙ，ｚ方向に調整して、第２の集光レンズ１９のビームウエスト位置が第１の合波フィルタ２１ａのフィルタ面上および第２の合波フィルタ２１ｂのフィルタ面上となるよう調芯する。ビームウエスト位置がフィルタ面上となっているか否かは、第１の合波フィルタ２１ａおよび第２の合波フィルタ２１ｂで反射される反射光、あるいは、第１の合波フィルタ２１ａおよび第２の合波フィルタ２１ｂを透過する透過光のパワーをモニターすることにより判定できる。

その後、各送信ユニット１６ａ〜１６ｄは、第１の集光レンズ１８ａ、１８ｃのビームウエスト位置が第１の合波フィルタ２１ａのフィルタ面上となるように、また、第１の集光レンズ１８ｂ、１８ｄのビームウエスト位置が第２の合波フィルタ２１ｂのフィルタ面上となるようにｘ，ｙ，ｚ方向に位置を調整して調芯固定される。

本実施形態に係る光モジュール１０では、波長がλ１＜λ２＜λ３＜λ４の関係を有する場合に、波長λ１の光と波長λ３の光とを第１の合波フィルタ２１ａで合波し、波長λ２の光と波長λ４の光とを第２の合波フィルタ２１ｂで合波することとしたので、できるだけ波長が離れた光を合波することにより第１および第２の合波フィルタ２１ａ，２１ｂの性能を十分に発揮することができるようにしている。

図８は、本実施形態に係る光モジュール１０の寸法の一例を示す図である。上述してきたような光モジュール１０の構成を採用することにより、例えば、ファイバ集光レンズホルダー１１の端部から送信ユニット１６ａの端部までの長さが１８ｍｍ、送信ユニット１６ｂの端部から送信ユニット１６ｃの端部までの長さが１３ｍｍというように、光モジュール１０を小型化することができる。

１０…光モジュール、１１…ファイバ集光レンズホルダー、１２…合波フィルタホルダー、１３…光ファイバ、１４ａ〜１４ｄ…レーザダイオード、１５…スリーブ、１６ａ〜１６ｄ…送信ユニット、１７ａ〜１７ｄ…ジョイントスリーブ、１８ａ〜１８ｄ…第１の集光レンズ、１９…第２の集光レンズ、２０…光アイソレータ、２０ａ，２０ｄ…複屈折結晶板、２０ｂ…ファラデー回転子、２０ｃ…λ／２波長板、２１ａ…第１の合波フィルタ、２１ｂ…第２の合波フィルタ、２２…合成フィルタ。

Claims (6)

1. 少なくとも４つの光素子から出射された互いに波長の異なる光を合波して各光素子と光ファイバとを光結合する光モジュールであって、
   第１の光素子から出射された第１の波長λ１、第２の光素子から出射された第２の波長λ２、第３の光素子から出射された第３の波長λ３、第４の光素子から出射された第４の波長λ４の光をそれぞれ集光する第１の集光レンズと、
   集光された前記第１の波長λ１と前記第３の波長λ３の光を合波する第１の合波フィルタと、
   集光された前記第２の波長λ２と前記第４の波長λ４の光を合波する第２の合波フィルタと、
   前記第１の合波フィルタにより合波された光と前記第２の合波フィルタにより合波された光とを合成する合成フィルタと、
   前記合成フィルタにより合成された光を集光する第２の集光レンズと、
   を備えることを特徴とする光モジュール。
2. 前記光ファイバと前記合成フィルタとの間の光路中に光アイソレータが配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。
3. 前記第１〜第４の波長は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４であることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 前記第２の集光レンズの一方のビームウエスト位置が前記第１の合波フィルタの面上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
5. 前記第２の集光レンズの一方のビームウエスト位置が前記第２の合波フィルタの面上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光モジュール。
6. 前記第２の集光レンズの像倍率が、等倍であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光モジュール。

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