JP2522331B2 - Optical transmission line - Google Patents
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- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は超高速長距離光伝送システム用光伝送路に
関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical transmission line for an ultrahigh-speed long-distance optical transmission system.
(従来の技術) 光ソリトンはその幅が光伝搬距離に依存しない光超短
パルスであるから、この性質を利用して超高速光通信シ
ステムを実現することが提案されている。しかし従来の
単一モードを光伝送媒体として用いると、光ファイバの
光損失の影響のため、光ソリトンはソリトンとしての性
質を伝搬するにつれ失い、そのパルス幅が増大する(例
えばA.ハセガワ、Y.コダマ、プロシーディングス オブ
アイ イー イー イー、第69巻9号、1145ページ、
1981年)。この結果、実現可能なビットレートが大幅に
制限される。そこで、前記の光ファイバの光損失を誘導
ラマン増幅等の光増幅手段で補うことが行なわれている
(例えばL.F.モレナウア他、オプチックス・レターズ
誌、第10巻5号、229ページ、1985年)。この方法によ
れば前記の光損失の問題は解決されるが、数km〜10km間
隔で光伝送路に大がかりな光増幅器を挿入する必要があ
るという大きな問題がある。(Prior Art) Since an optical soliton is an optical ultrashort pulse whose width does not depend on the optical propagation distance, it has been proposed to utilize this property to realize an ultrahigh-speed optical communication system. However, when a conventional single mode is used as an optical transmission medium, an optical soliton loses its properties as a soliton as it propagates due to the effect of optical loss of an optical fiber, and its pulse width increases (for example, A. Hasegawa, Y. Kodama, Proceedings of Eye E-E, Vol. 69, No. 9, 1145,
1981). As a result, the achievable bit rate is significantly limited. Therefore, the optical loss of the above optical fiber is supplemented by an optical amplification means such as stimulated Raman amplification (for example, LF Morenauer et al., Optics Letters, Vol. 10, No. 5, p. 229, 1985). This method solves the above-mentioned problem of optical loss, but has a big problem that it is necessary to insert a large-scale optical amplifier into the optical transmission line at intervals of several km to 10 km.
このソリトン拡がりの問題をやっかいな光増幅器を用
いずに避ける方法として、光ファイバの群速度分散に伝
搬距離依存性をもたせる方法がある(K.タジマ、オプチ
ックス・レターズ誌、第11巻1号、54ページ、1987
年)。すなわち、光損失係数がγ(1/cm)程度で、その
負の群速度分散の絶対値k2が光伝搬方向(軸方向)に対
して k2F2(k2)+αexp(−2γz)=0 を満足するように変化している構造の光ファイバであ
る。但し、k2は群速度分散(s2/cm)、zは光ファイバ
の伝送方向距離(cm)、F(k2)はk2の関数として表わ
された光ファイバの有効コア径(cm)、そしてαはz=
0の時のk2により決定される定数である。As a method of avoiding the problem of soliton spread without using a troublesome optical amplifier, there is a method of making the group velocity dispersion of the optical fiber dependent on the propagation distance (K. Tajima, Optics Letters, Vol. 11, No. 1, Page 54, 1987
Year). That is, the optical loss coefficient is about γ (1 / cm), and the absolute value k 2 of the negative group velocity dispersion is k 2 F 2 (k 2 ) + α exp (-2γz) with respect to the optical propagation direction (axial direction). The optical fiber has a structure that changes so as to satisfy = 0. Where k 2 is the group velocity dispersion (s 2 / cm), z is the distance in the optical fiber transmission direction (cm), and F (k 2 ) is the effective core diameter (cm) of the optical fiber expressed as a function of k 2. ), And α is z =
It is a constant determined by k 2 when 0.
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、上記のような光ファイバの群速度分散
は、光ファイバが長くなるにつれて極めて小さい値とな
り、その値の制御が困難となる。また、光源の波長が多
少変化した場合、前記の微小分散の値は相対的に大きく
変化する。もし、上記のいずれかの理由で、光ソリトン
の波長が短波長側にずれ、その結果光ファイバの分散が
小さいながら正の値をとると、光ソリトンは急激にその
幅を広げる。この結果、パルス間干渉が発生し、正常な
光通信ができなくなってしまう。(Problems to be Solved by the Invention) However, the group velocity dispersion of the optical fiber as described above becomes an extremely small value as the optical fiber becomes longer, and it becomes difficult to control the value. Further, when the wavelength of the light source changes to some extent, the value of the minute dispersion changes relatively greatly. If the wavelength of the optical soliton shifts to the short wavelength side due to any of the above reasons and, as a result, the dispersion of the optical fiber is small and takes a positive value, the optical soliton rapidly widens. As a result, pulse-to-pulse interference occurs and normal optical communication cannot be performed.
(問題点を解決するための手段) 本発明の光伝送路は、光損失係数がγ(1/cm)程度
で、負の群速度分散の絶対値k2が光伝搬方向に関して k2F2(k2)+αexp(−2γz)=0 なる関係を満足しながら、ほぼT2×10-8(s2/cm)〔T
は光伝送路を伝搬する光ソリトンのパルス幅〕程度まで
減少し、以後は一定になっていることを特徴とする。(Means for Solving Problems) In the optical transmission line of the present invention, the optical loss coefficient is about γ (1 / cm), and the absolute value k 2 of the negative group velocity dispersion is k 2 F 2 in the optical propagation direction. (K 2 ) + αexp (-2γz) = 0 While satisfying the relationship, T 2 × 10 -8 (s 2 / cm) [T
The pulse width of the optical soliton propagating in the optical transmission line] is reduced to about the same, and thereafter it becomes constant.
(作用) 前述のように、光ファイバの損失によるソリトンの拡
がりを防ぐためには、光ファイバの群速度分散に適当な
距離依存性を与えればよい。つまり、ソリトンは負の群
速度分散を必要とするが、その群速度分散の絶対値k2が
光伝搬方向(軸方向)に対して k2F2(k2)+αexp(−2γz)=0 (1) を満足するように変化すればよい。ここでk2は群速度分
散の絶対値、zは光ファイバの伝送方向距離、F(k2)
はk2の関数として表わされた光ファイバの有効コア径、
αはz=0の時のk2により決定される定数である。実際
のステップインデックス型単一モード光ファイバの場
合、群速度分散は有効コア径にほぼ比例していると考え
てよい。つまり光波長が1.55μmのとき、 となる。但しcは光速で3×108m/s、λvacは真空中の
光波長でここでは1.55×10-6mである。これらより、群
速度分散の距離依存性が第2図のように求まる。但し、
z=0における波長分散を20ps/nm−kmとした。前記群
速度分散k2と波長分散Dの間には の関係があり、実質的に同じものである。(Operation) As described above, in order to prevent the soliton from spreading due to the loss of the optical fiber, it is sufficient to give the group velocity dispersion of the optical fiber an appropriate distance dependency. That is, the soliton needs a negative group velocity dispersion, but the absolute value k 2 of the group velocity dispersion is k 2 F 2 (k 2 ) + αexp (-2γz) = 0 with respect to the light propagation direction (axial direction). It may be changed so as to satisfy (1). Where k 2 is the absolute value of group velocity dispersion, z is the distance in the optical fiber transmission direction, and F (k 2 )
Is the effective core diameter of the optical fiber expressed as a function of k 2 ,
α is a constant determined by k 2 when z = 0. In the case of an actual step index type single mode optical fiber, it can be considered that the group velocity dispersion is almost proportional to the effective core diameter. That is, when the light wavelength is 1.55 μm, Becomes However, c is the speed of light of 3 × 10 8 m / s, and λ vac is the wavelength of light in vacuum, which is 1.55 × 10 −6 m here. From these, the distance dependence of the group velocity dispersion is obtained as shown in FIG. However,
The wavelength dispersion at z = 0 was set to 20 ps / nm-km. Between the group velocity dispersion k 2 and the wavelength dispersion D There is a relationship of, and are substantially the same.
第2図から明らかなように、このような光ファイバの
群速度分散は、ファイバ長が長くなると極めて小さくな
る。従って、もし光源の温度変化や経時変化、また光源
や光伝送路の固体差等により、光ソリトンの波長が、光
伝送路の設計波長(1.55μm)より多少ずれると、その
波長における群速度分散は第2図に示された値より多少
ずれる。この波長のずれは、わずかなものであっても、
そのずれの相対的な大きさは、特にもともと群速度分散
の小さい部分では無視できない。特に、光ソリトンの波
長が短波長側にずれると、この光伝送路の終端付近の群
速度分散はその符号をかえて、正の分散となってしま
う。正の分散の光ファイバ中では、光ソリトンはもはや
ソリトンとしての性質を完全に失い、その幅は急激に広
がってしまう。そこで、このような群速度分散の符号逆
転を防ぐために、第2図の群速度分散特性を改良するこ
とが考えられる。つまり、群速度分散の極めて小さい部
分において、その負の群速度分散の絶対値を大きめに設
定することにより、前記の波長ずれがある場合でも、群
速度分散の符号がかわらないようにすればよい。しか
し、負の群速度分散といえども、その絶対値をあまり大
きくすると、この大きな負の分散のために光ソリトンの
幅は拡がってしまう。つまり、負の群速度分散の絶対値
は第2図の値より大きくできるが、それには上限があ
る。この上限は以下のように見積もられる。As is clear from FIG. 2, the group velocity dispersion of such an optical fiber becomes extremely small as the fiber length becomes long. Therefore, if the wavelength of the optical soliton deviates slightly from the design wavelength (1.55 μm) of the optical transmission line due to changes in the temperature of the light source, changes over time, or individual differences in the light source and the optical transmission line, group velocity dispersion at that wavelength Is slightly deviated from the value shown in FIG. Even if this wavelength shift is slight,
The relative magnitude of the deviation cannot be ignored, especially in the portion where the group velocity dispersion is originally small. In particular, when the wavelength of the optical soliton shifts to the short wavelength side, the group velocity dispersion near the end of the optical transmission line changes its sign and becomes a positive dispersion. In a positive dispersion optical fiber, the optical soliton loses its properties as a soliton completely, and its width widens rapidly. Therefore, in order to prevent such a sign reversal of the group velocity dispersion, it is conceivable to improve the group velocity dispersion characteristic of FIG. That is, in the portion where the group velocity dispersion is extremely small, the negative value of the group velocity dispersion may be set to a large value so that the sign of the group velocity dispersion does not change even if there is the above wavelength shift. . However, even with negative group velocity dispersion, if the absolute value is made too large, the width of optical solitons will widen due to this large negative dispersion. That is, the absolute value of the negative group velocity dispersion can be made larger than the value shown in FIG. 2, but there is an upper limit. This upper limit is estimated as follows.
本光伝送路中の光ソリトンの伝搬を厳密に考慮するた
めには、光ファイバの群速度分散と非線形性の影響を同
時に考えなければならない。しかし、ここでは負の分散
を考えてよいので、非線形性の影響は光ソリトンの拡が
りを防ぐように働く。そこで、非線形性の影響を無視し
て、群速度分散だけによる光ソリトンの拡がりをある値
以下に規定することは、安全な方法である。光ソリトン
の分散によるパルス幅拡がりを 以下にするためには、以下の関係を満足する必要がある
(K.タジマ、アイ イー イー イー ジャーナル オ
ブ ライトテクノロジー誌、第LT−4巻7号、900ペー
ジ、1986年)。In order to strictly consider the propagation of optical solitons in this optical transmission line, the effects of group velocity dispersion and nonlinearity of the optical fiber must be considered at the same time. However, since negative dispersion may be considered here, the effect of nonlinearity acts to prevent the spread of optical solitons. Therefore, it is a safe method to ignore the influence of non-linearity and regulate the spread of optical solitons due to only group velocity dispersion to a certain value or less. Pulse width expansion due to dispersion of optical solitons In order to achieve the following, it is necessary to satisfy the following relationship (K. Tajima, IE Journal of Light Technology, Vol. LT-4, No. 7, page 900, 1986).
ここで、cは光速で3×108m/s、λvacは光ソリトン
の真空における波長、Tは光ソリトンのパルス幅、そし
てDは前記波長分散の増加分である。またLは、Dの影
響を受けて光ソリトンが伝搬する距離である。ここでL
の実際の値を求めることは困難である。しかしながら、
Lは第2図で示された光ファイバの全長よりも短いこと
は明らかで、おそらくその半分以下と考えられる。そこ
でL=200kmとすると、式(4)より k2T2×10-8s2/cm (5) となる。つまり、光ソリトンパルスの幅がTの時、第2
図においてk2(∝D)の値が上式で与えられる値に到達
したら、以後のk2はこの値に固定しても、光ソリトンパ
ルス幅の拡がりは 以下におさえることが可能である。またこのことによ
り、光源の発振波長のバラツキや光ファイバのバラツキ
により、実効的な群速度分散がk2T2×10-8s2/cm程度
変化しても、前記分散の符号変化による急激なソリトン
パルス幅拡がりはおこらない。 Here, c is the speed of light of 3 × 10 8 m / s, λ vac is the wavelength of the optical soliton in vacuum, T is the pulse width of the optical soliton, and D is the increment of the chromatic dispersion. L is the distance that the optical soliton propagates under the influence of D. Where L
It is difficult to find the actual value of. However,
It is clear that L is shorter than the total length of the optical fiber shown in FIG. 2, and is considered to be half or less of that. Therefore, if L = 200 km, then k 2 T 2 × 10 -8 s 2 / cm (5) is obtained from equation (4). That is, when the width of the optical soliton pulse is T, the second
In the figure, when the value of k 2 (∝D) reaches the value given by the above equation, the optical soliton pulse width spreads even if k 2 is fixed at this value thereafter. It can be kept below. Also, due to this, even if the effective group velocity dispersion changes by about k 2 T 2 × 10 -8 s 2 / cm due to the variation of the oscillation wavelength of the light source or the variation of the optical fiber, it is abrupt due to the sign change of the dispersion. Soliton pulse width broadening does not occur.
(実施例) 第1図を参照して、本発明の光伝送路について説明す
る。(Example) With reference to FIG. 1, the optical transmission line of this invention is demonstrated.
第1図は本発明の一実施例における伝送方向距離と有
効コア径との関係を示す図である。本図においては、有
効コア径がテーパー状に細くなっている事を模式的に示
している。また、その構造はいわゆるステップインデッ
クス型である。つまり、本実施例の光伝送路は、ステッ
プインデックス型単一モードファイバのコア径を距離方
向に変化させたものである。ここでステップインデック
ス型の単一モード光ファイバの波長1.55μmにおける有
効コア径とその群速度分散の間には、式(2a)の関係が
ある。この関係と式(1)より、0.2dB/kmという有限の
光損失にもかかわらず波長1.55μmの光ソリトンを保持
する条件を求めると群速度分散及び有効コア径の距離依
存性が第2図のように求まる。有効コア径と実際のコア
径は多少異なるが、ステップインデックス型の場合実際
のコア径は有効コア径より約10%小さい。そこで、第1
図の光伝送路の実際のコア径は、第2図に示される有効
コア径より常に10%程度小さくなるようにした。しかし
第2図より明らかなように、距離を100kmをこえると、
群速度分散の値が非常に小さく、少しのコア径変化に対
しても相対的に大きな群速度分散の変化が生じ、その制
御が困難である。特にコア径を細くしすぎると、光ソリ
トンの波長(1.55μm)における群速度分散は正の符号
となり、従ってもはや光ソリトンは伝搬できなくなる。
そこで、光伝送路のコア径を光ソリトンの幅をそれほど
拡げない程度の負の分散に対応する値以下にしないほう
がよい。本実施例の光伝送路は、パルス幅が10psの光ソ
リトンを伝搬させるのが目的であるが、このときの最小
の負の分散は式(5)より0.3ps/nm−kmとなる。第2図
よりこの分散には約120kmで到達し、そしてその時の有
効コア径が約5.09μmであることが分かる。そこで、第
1図に示すように、本実施例の光伝送路の有効コア径
は、始点から120kmの間第2図に示されるように減少
し、それ以降の150kmは一定の値(5.09μm)とした。
したがって本光伝送路の全長は270kmである。また前述
のように本光伝送路では、光ソリトンの波長が変化し
て、後半の分散が0〜0.3ps/nm−kmまで変化しても光ソ
リトンの幅はほとんど変化しないと予想される。これ
は、ステップインデックス型単一モードファイバの波長
に対する分散変化が約0.075ps/nm2−km程度であること
から、波長に関して4nm位の範囲(1.550〜1.554μm)
に相当する。FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a transmission direction distance and an effective core diameter in one embodiment of the present invention. In this figure, it is schematically shown that the effective core diameter is tapered. The structure is so-called step index type. That is, in the optical transmission line of this embodiment, the core diameter of the step index type single mode fiber is changed in the distance direction. Here, there is a relationship of equation (2a) between the effective core diameter and the group velocity dispersion thereof at the wavelength of 1.55 μm in the step index type single mode optical fiber. From this relationship and equation (1), when the conditions for holding the optical soliton with a wavelength of 1.55 μm are obtained despite the finite optical loss of 0.2 dB / km, the group velocity dispersion and the distance dependence of the effective core diameter are shown in Fig. 2. Is obtained. The actual core diameter is slightly different from the effective core diameter, but in the case of the step index type, the actual core diameter is about 10% smaller than the effective core diameter. So the first
The actual core diameter of the optical transmission line in the figure is always smaller than the effective core diameter shown in FIG. 2 by about 10%. However, as is clear from Fig. 2, if the distance exceeds 100 km,
The value of the group velocity dispersion is very small, and a relatively large change in the group velocity dispersion occurs even with a slight change in the core diameter, and it is difficult to control it. In particular, if the core diameter is made too thin, the group velocity dispersion at the wavelength of the optical soliton (1.55 μm) will have a positive sign, so that the optical soliton can no longer propagate.
Therefore, it is better not to make the core diameter of the optical transmission line equal to or less than a value corresponding to the negative dispersion that does not expand the width of the optical soliton so much. The purpose of the optical transmission line of this embodiment is to propagate an optical soliton having a pulse width of 10 ps, and the minimum negative dispersion at this time is 0.3 ps / nm-km from the equation (5). It can be seen from Fig. 2 that this dispersion is reached at about 120 km and the effective core diameter at that time is about 5.09 µm. Therefore, as shown in FIG. 1, the effective core diameter of the optical transmission line of this embodiment decreases as shown in FIG. 2 during 120 km from the starting point, and after that 150 km has a constant value (5.09 μm). ).
Therefore, the total length of this optical transmission line is 270 km. Further, as described above, in the present optical transmission line, it is expected that the width of the optical soliton will hardly change even if the wavelength of the optical soliton changes and the dispersion in the latter half changes from 0 to 0.3 ps / nm-km. This is because the dispersion change of the step index type single mode fiber with respect to wavelength is about 0.075 ps / nm 2 −km, so the range of wavelength is about 4 nm (1.550 to 1.554 μm).
Is equivalent to
光伝送路の性能をテストするためにソリトンレーザを
用意した。ソリトンレーザに関してはオプチックス・レ
ターズ誌、第9巻1号、13ページ、1984年に発明者のL.
F.モレナウア他より詳しく説明されているので、ここで
は簡単な説明にとどめる。ソリトンレーザとは、光ファ
イバによる外部注入同期機構をもつカラーセンタレーザ
で、その光ファイバの長さとコア径を適当に選ぶことに
より出力パルス幅を調節できる。また共振器長を変化さ
せることにより発振波長そのものも、かなり調節でき
る。そこで、パルス幅10psで波長が1.550〜1.554μmの
ソリトンを以上で説明した光伝送路を伝搬させたとこ
ろ、その幅はほとんど変化しなかった。事実、波長が1.
56μm程度までソリトンの拡がりはほとんど観測できな
かった。しかしソリトンの波長を短波長側にわずかにず
らすと、つまり波長1.549μmにおいてはソリトンが大
きく拡がるのが観測された。これは、この波長において
光伝送路後半の群速度分散が正になるからである。A soliton laser was prepared to test the performance of the optical transmission line. Regarding the soliton laser, Optics Letters, Vol. 9, No. 1, p. 13, p.
Since it is explained in more detail than F. Morenauer et al., Only a brief explanation is given here. The soliton laser is a color center laser having an external injection locking mechanism using an optical fiber, and the output pulse width can be adjusted by appropriately selecting the length of the optical fiber and the core diameter. The oscillation wavelength itself can be adjusted considerably by changing the cavity length. Therefore, when a soliton having a pulse width of 10 ps and a wavelength of 1.550 to 1.554 μm was propagated through the optical transmission line described above, the width thereof hardly changed. In fact, the wavelength is 1.
Almost no spread of solitons was observed up to about 56 μm. However, when the wavelength of the soliton was slightly shifted to the short wavelength side, that is, at the wavelength of 1.549 μm, it was observed that the soliton spread greatly. This is because the group velocity dispersion in the latter half of the optical transmission line becomes positive at this wavelength.
以上に本発明の光伝送路の一実施例について説明した
が、本発明はこの実施例に限定されるものではない。本
実施例ではステップインデックス型の単一モード光ファ
イバを用いたが、他の屈折率分布の単一モード光ファイ
バを用いてもよい。また本実施例では第1図のようにそ
のコア径が徐々に変化しているが、これは、コア径の異
なるファイバを多数接続してもよい。Although one embodiment of the optical transmission line of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this embodiment. In this embodiment, the step index type single mode optical fiber is used, but a single mode optical fiber having another refractive index distribution may be used. Further, in the present embodiment, the core diameter is gradually changed as shown in FIG. 1, but a large number of fibers having different core diameters may be connected.
(発明の効果) 本発明の光伝送路は、光源の波長の変化や光伝送路そ
のものの特性に多少のバラツキがある場合でも、超短光
パルスである光ソリトンをその幅を変えることなく長距
離にわたり伝搬させる。そこで、本発明の光伝送路を採
用することにより、超高速長距離光通信が可能となる。(Effects of the Invention) The optical transmission line of the present invention enables the optical soliton, which is an ultrashort optical pulse, to be lengthened without changing its width even when there is some variation in the wavelength of the light source or the characteristics of the optical transmission line itself. Propagate over distance. Therefore, by adopting the optical transmission line of the present invention, it becomes possible to carry out ultra-high-speed long-distance optical communication.
第1図は本発明の一実施例における伝送方向距離と有効
コア径の関係を示す図である。第2図は、光損失が有限
な大きさ(0.2dB/km)である光伝送路に光ソリトンを伝
搬させるときにおける群速度分散及び有効コア径の距離
依存性を示す特性図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the transmission direction distance and the effective core diameter in one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the distance dependence of group velocity dispersion and effective core diameter when an optical soliton is propagated in an optical transmission line having a finite optical loss (0.2 dB / km).
Claims (1)
度分散の絶対値k2が光伝搬方向に関して k2F2(k2)+αexp(−2γz)=0 なる関係を満足しながら、ほぼT2×10-8(s2/cm)〔T
は光伝送路を伝搬する光ソリトンのパルス幅〕程度まで
減少し、以後は一定になっていることを特徴とする光伝
送路。1. An optical loss coefficient of about γ (1 / cm), and an absolute value k 2 of negative group velocity dispersion is k 2 F 2 (k 2 ) + α exp (-2γ z) = 0 in the light propagation direction. While satisfying the relationship, T 2 × 10 -8 (s 2 / cm) [T
Is a pulse width of an optical soliton propagating through the optical transmission line], and thereafter it is constant.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62290213A JP2522331B2 (en) | 1987-11-16 | 1987-11-16 | Optical transmission line |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP62290213A JP2522331B2 (en) | 1987-11-16 | 1987-11-16 | Optical transmission line |
Publications (2)
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Family Applications (1)
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1987
- 1987-11-16 JP JP62290213A patent/JP2522331B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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