JP3134850B2 - 光学部品、光学モジュール組立品、および光学ネットワーク - Google Patents

光学部品、光学モジュール組立品、および光学ネットワーク

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光伝送に関し、より
詳細には、モジュラ式に組み立てることができる光学部
品および光学ネットワークに関する。
【０００２】
【従来の技術】先にされた米国特許出願（発明の名称
「Modular Building Block for an Optical Interconne
ction Network」、出願番号０８／８１２，６２５号、
１９９７年３月７日出願、出願人Kenneth J.Fasanella,
T.J.Kim, David Neilson and Eugen Schenfeld）に
は、自由空間光ネットワークで使用される光学機械部品
について記載されている。
【０００３】また、米国特許第５４１４８１９号（発明
の名称「Optical Interconnect Network」）、米国特許
第５６１９３５９号（発明の名称「Optoelectronic App
aratus」）および係属中の米国特許出願第０８／５５８
３５２号（発明の名称「Optoelectronic Apparatus」、
１９９５年１１月１６日出願）には、自由空間光ネット
ワークで有用な電子光学部品および光学部品の他の例が
記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】光学系を上記の種類の
装置に使用することを制限する要因の一つは、そのよう
な装置における光学部品ならびにそれらの組立品のコス
トが高くなることである。組立品のコストの多くは、そ
のような部品を最適に使用する上で必要とされる厳しい
許容誤差でそのような部品の位置合わせを行うことの困
難さに関係している。光学系が伝送ネットワークに大幅
に食い込むために、光学部品には低コストであってしか
も容易に組み立てることができることが望まれている。
【０００５】本発明の目的は、低コストであってしかも
容易に組み立てることができる光学部品および光学ネッ
トワークを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】広い意味で、本発明は、
例えば数μｍの寸法公差という高精度で、かつ射出プラ
スチック成型やこれに類似する方法によって低コストで
製造することができ、しかも光学系等において有用な装
置を形成するために類似の部品と容易に組み立てること
ができる材料および幾何形状の光学機械部品を含む。特
に、本発明による基本部品は、一つ以上の同様のプリズ
ムに連結されたときに、光学ネットワークを構成する同
様の類似構造物に容易に組み合わされる構造を成すプリ
ズムを有する。特に重要なものは、同様のプリズムと組
み合わせた場合に立方体を形成する直角三角形プリズム
である。そのようなプリズムは、実質的に正方形である
一対の面、実質的に長方形である斜辺面、および実質的
に直角三角形である一対の受動面を有する。特に重要な
別の幾何形状としては、正方形の底面および４つの正三
角形側面を有する四角錐である。そのような６個の角錐
を同様に組み立てて、立方体を形成することができる。
そのようにして形成された立方体の特に有用な特性は、
それらの立方体が入射ビームを反射させて分離または偏
向するように構成された斜めの内部表面を備えていると
いう点である。さらに、そのような各プリズムの一つ以
上の面に、ピンおよび穴などの雄型もしくは雌型の少な
くとも一方の連結手段が設けられ、プリズム同士を厳密
な公差の所望の位置関係で簡便に連結できるようにされ
る。
【０００７】さらに、そのようなプリズムは典型的に
は、マイクロレンズアレイもしくはその他の類似の光学
素子が配置されうる凹領域、すなわち差込領域が設けら
れた少なくとも一つの面を含む。
【０００８】特に、直角三角形プリズムを有するより好
ましい基本部品においては、各正方形の表面には、少な
くとも一つの角部に嵌合ピンが設けられ、少なくとも一
つの他の角部には嵌合穴、すなわちソケットが設けられ
ている。さらに代表的には、その二つの正方形表面の少
なくとも一つに、表面にマイクロレンズアレイが成型さ
れた凹領域、すなわち差込領域が設けられている。さら
に、長方形の斜辺面がマイクロミラーの２次元配列を支
持しており、そのうちの選択されたミラーは、ビーム制
御を行うために、入射光に対して不透明、部分反射性ま
たは透過性となるように構成されている。あるいは、そ
のような表面には、入射光に関して所定の反射、屈折ま
たは回折の機能を与えるコーティング、格子細工または
ホログラムを施してもよい。
【０００９】一般的に、そのようなプリズムでは、差込
領域は約４．５×４．５ｍｍの正方形であり、立方体面
の中央にあり、２個のそのようなプリズムを組み合わせ
ることで、各辺が約１ｃｍの立方体を形成することがで
きる。
【００１０】プリズムの大部分を形成するために使用さ
れる材料には、信号情報を伝送するのに使用される光の
波長で実質的に透過性となるものが選択される。また、
その材料は、代表的には約数μｍの所望の高精度に対し
て低コストで製造することができる射出成形のような製
造技術に適するものが望ましい。
【００１１】さらに、差込部を備えた表面を含む上述の
種類の各プリズムは、そのような面にその差込部を囲む
周囲領域があるのが有利である。その差込部には、その
ような差込部で支持されるレーザ、光検知器またはファ
イバー連絡線等の光学素子アレイの制御を行うための回
路を設けることができる。
【００１２】より比較的広い意味で、本発明は、上記の
種類のモジュラシステムで使用することができ、即座に
組み立てられるように正確な位置合わせ精度で容易に連
結される性質を一般に有し、さらに射出成型等の低コス
トの工程によって製造することができ、厳しい寸法公差
を満足できる多様な光学機械部品を意図したものであ
る。
【００１３】上記の種類のモジュールは、多様な光学的
用途で使用するために、各種形態で組み立てることがで
きる。それについては、添付の図面と関連して考慮され
たときに、以下に記載されたより詳細な説明から明らか
になろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】図面を参照すると、図１および図
２に示した直角三角形プリズムは、一対の正方形面１２
ａ，１２ｂ、長方形の斜辺面１２ｃ、および符号を付さ
れていない上側三角形面および下側三角形面を含む。各
正方形面１２ａ，１２ｂの中央には正方形の差込部１４
が設けられている。それらの面１２ａ，１２ｂおよび１
２ｃの各角部付近には、嵌合ピン１６または嵌合穴、す
なわちソケット１８のいずれかが設けられている。代表
的には、正方形面は１個のピンと３個の穴を有し、長方
形面は２個のピンと２個の穴を有する。ピンと穴は、モ
ジュラー装置を形成するためにプリズム同士が連結され
るときに位置合わせ手段として機能するように、いずれ
も高精度に配置されている。各ピンは、一般的には径お
よび長さのいずれも数ｍｍの大きさに形成され、穴の径
は挿入されるピンが安定して緊密に嵌合されるような大
きさにされている。
【００１５】より耐久性を有する連結が必要な場合に
は、接着剤を用いてさらに連結を強めることができる。
【００１６】差込部は、特定のプリズムが果たす役割に
応じて各種光学部品を支持するように構成されている。
これらのプリズムの一部には信号情報を伝送する光源と
して機能するものがあり、その場合は、差込部にマイク
ロレーザアレイが備えられてもよい。代わりにあるいは
これと追加して、プリズムは受信機を支持するように構
成されていてもよく、その場合には、差込部にフォトダ
イオードアレイが備えられていてもよい。さらに、その
ようなマイクロレーザまたはマイクロフォトダイオード
アレイの役割を強化するために、マイクロレンズアレイ
を有することが望ましいであろう。
【００１７】さらに、これらのプリズムの一部には、そ
の斜辺面にビーム分離手段またはビーム偏向手段が備え
られる。そのような手段は、成型された屈折ミラーまた
は回折ミラーあるいは球面または非球面の光軸ミラーな
どの各種形態のミラーの配列によって構成される。その
ようなミラーを用いて、光路に入射される光ビームを結
合させたり、光路から出射される光ビームを結合させる
ことができる。
【００１８】図３は、図１および図２に示した一対のプ
リズムを、光キューブを形成するために互いに連結され
た状態で示す斜視図である。図４はそのような光キュー
ブの平面断面図であり、図中の１２ｃは前述のようなビ
ームの偏向または分離を行う局部的な面領域が備えられ
る斜辺面である。
【００１９】特に、それぞれの素子レンズに光ビームが
透過されるマイクロレンズを二次元的に配列することに
より、レンズ導波路に非常に適した光学リレーが形成さ
れる。ビーム路に沿った全ての点において、各ビームが
独立していることから、そのマイクロレンズアレイにお
ける光ビームの位置は、レンズ導波路に沿って一定のま
まとなる。光学ルーティングは、光ビームのファン入力
（fan-in）およびファン出力（fan-out）が要求される
場合には長方形の斜辺面に配置された部分的ビーム分離
ミラーによって、あるいは光学ルーティングが必要な部
位にパターン化されたミラーによって、容易に行うこと
ができる。
【００２０】これによって、各種の目的のためのハード
ウェア内に作ることができる多様な光学的配線パターン
が実現できる。さらに、プリズムの各正方形面の周囲の
境界部分は、関連する個々のマイクロレーザ送信機もし
くはマイクロダイオード受信機の電気回路、すなわち導
波路に信号をファン入力させることや、導波路からファ
ン出力される受信機信号を選択することに使用される他
の手段を支持することに用いられうる。
【００２１】指定の受信機に通じるように定められた光
路へのビームのファン入力は、ビーム結合面におけるミ
ラーアレイ中の特定のミラーに焦点が合わされたマイク
ロレーザアレイの適切なレーザを励起することで制御す
ることができる。
【００２２】導波路に沿った光路から選択された受信機
へのビームのファン出力は、導波路に沿った指定された
位置におけるマイクロダイオードアレイの適切なマイク
ロダイオードに向けられたビーム偏向ミラーを適切に配
置することによって制御することができる。
【００２３】図５は、複数の光キューブ２１，２２，２
３，２４，２５を、光学ネットワークを構成するために
互いに連結された状態で示す。特に、光キューブ２１の
差込部２１ａ，２１ｂには、光ビーム２６を形成するマ
イクロレーザが備えられている。光ビーム２６は、光キ
ューブ２１の斜辺面２１ｃで偏向されてネットワークの
長軸方向に伝送され、例えば光キューブ２５に到達す
る。光キューブ２５では、光ビーム２６は斜辺面２５ｃ
によって偏向されて、差込部２５ａ，２５ｂに備えられ
た受信機に到達する。同様に、光キューブ２２，２４
も、ネットワークに他の光ビームを送信し、またはネッ
トワークから他の光ビームを受信することができる。
【００２４】図６は、種々の回路部品が前述のプリズム
４０上にどのようにして支持されるのかを示す。特に、
電気光学パッケージ４２、例えば送信機として有用なマ
イクロレーザアレイを含むパッケージは、表面４０ｂに
隣接する表面４０ａ上における差込部４１と同様の差込
部（図では隠れている）に配置され、集積回路素子を含
む他のパッケージ４４は電気光学パッケージ４２を囲む
ようにしてプリント回路４３上に配置されている。前記
の集積回路素子は、その電気光学デバイスを制御するの
に必要な電気系を提供するものである。あるいは、電気
光学パッケージ４２は、受信機として用いられる光検知
器アレイを含んでいてもよい。このように構成された各
プリズムが互いに連結されることにより、情報処理装置
が構成される。
【００２５】図７は、わずかに形状が変更された一対の
プリズム５１，５２が組み合わされて構成された光キュ
ーブ５０を示す断面図である。この場合も、各プリズム
５１，５２は、斜辺面に窪みが形成されてなる差込部５
１ａ，５２ａを有する。その差込部５１ａ，５２ａに
は、他の制御回路が支持されてもよい。さらに、一般的
には、ビーム方向を制御するミラーアレイまたはマイク
ロレンズアレイは、プリズム５１とプリズム５２との中
間に配置されることになる。
【００２６】図８、図９および図１０は、図５に示した
レンズ導波路に入射されるか、あるいはそのレンズ導波
路から出射される光ビームを結合させる光キューブに、
電子光学デバイスまたは光ファイバーアレイを連結する
ことに使用されるプラグイン式モジュール２７およびコ
ネクタモジュール８０を示す。図８には長方形のプラグ
イン式モジュール２７が示されている。プラグインモジ
ュール２７は、電気光学パッケージ５４、集積回路素子
５６およびモジュール２７に好ましくは成型されたレン
ズアレイ５５を有している。図５に示すように、位置合
わせが不良であるとビーム伝搬エラーが生じることか
ら、リレー装置の中心水平軸の位置合わせは重要であ
る。プラグイン式モジュール２７は、送信機もしくは受
信機または光ファイバーなどの能動素子を有していても
よい。本プラグイン式モジュール２７は、光キューブ２
１〜２５を伝送される基本ネットワークビームの伝搬路
を変更せずに交換することができる。モジュール２７の
位置合わせ精度は、光キューブ２１〜２５の位置合わせ
精度ほど重要ではない。雄型嵌合部５７および雌型嵌合
部５８が、光キューブ２３の表面に配設された対応する
雌型および雄型の嵌合手段とそれぞれ嵌合する。上記の
ようにモジュール２７が嵌合することで、図５に示した
ネットワークへの光ビームの入射またはネットワークか
らの光ビームの出射が可能となる。
【００２７】図９は、図８に示したモジュール２７の切
断線Ａ−Ａに沿った断面図である。電気光学パッケージ
５４の表面には、レンズアレイ５５から光ビーム６０を
受信し、またレンズアレイ５５に光ビーム６１を送信す
るために、フォトダイオード等の受信機アレイもしくは
ＶＣＳＥＬ等の送信機アレイの少なくともいずれか一方
が取り付けられている。レンズアレイ５５は、レンズ導
波路に入射される光ビームを集束させるか、あるいはそ
の導波路から出射される光ビームを集束させるものであ
る。
【００２８】電気光学パッケージ５４の表面に取り付け
られたアレイの正確な位置合わせを行うために、プラグ
イン式モジュール２７の表面に設けられた導体線５３へ
の電気光学パッケージ５４の接続が、ハンダバンプ６２
を用いたフリップチップボンディングによって行われて
いる。
【００２９】図１０に示すように、コネクタ８０が、光
ファイバー８１の列を支持するプラスチックのボードを
有する。光キューブ部材における差込部の側壁には、例
えば多段のＶ字型溝８３からなるスタックが設けられて
いるとともに、コネクタ８０のプラスチックボードの側
辺には、プラスチックボードを差込部に滑り込ませて、
光ファイバーの自由端を、光キューブにおけるマイクロ
レンズアレイ８２のマイクロレンズの焦点位置に位置決
めすることができるように、同様の嵌合溝が設けられて
いる。ビーム導波路における光路の特定の組は、プラス
チックのボードが挿入されている溝の差込部における高
さを選択することで、そのアドレスが指定される。コネ
クタはさらに、この目的のために光キューブ内に設けら
れた肩部にはめ込まれうる一対のバネクリップ８７を備
えていることが好ましい。
【００３０】あるいは、適切な変更を加えることによ
り、光ファイバーの垂直柱を光キューブに接続して、ビ
ーム導波路における光ファイバーの垂直柱に接続するこ
とが可能となろう。さらに、二次元配列の光ファイバー
を、同様にビーム導波路に接続することも可能であろ
う。
【００３１】代表的にはシングルモードファイバーであ
るファイバーと、図１１に示したようなマイクロレンズ
との間の連結作業効率を高めるには、図１２に示すよう
に、各ファイバーの自由端に近づくにつれて各ファイバ
ー８１の径を徐々に大きくすることでファイバーの自由
端で放射される光スポットのサイズを大きくし、そのフ
ァイバー端をマイクロレンズアレイ８２における所望の
マイクロレンズの焦点位置に位置合わせをするために必
要な精度を緩くすることが望ましい。ファイバー径を、
例えば５０μｍの多モードコア半径から例えば６μｍの
シングルモードコア半径へとを漸減させることで、自由
空間からシングルモードファイバーへの非常に有効な連
結が可能となる。
【００３２】完全なビーム導波路ネットワークを上記の
種類のモジュールと容易に組み立てることができること
が容易に理解される。あるいは、そのようなモジュール
群は、従来技術で知られているように、かなり大きいシ
ステムの限定部を形成し、その限定部の一部のみがビー
ム導波路の制御下により自由空間を横切るように連結さ
れうる。
【００３３】さらに、光キューブを形成するために他の
様々な形状を組み合わせることができることが理解され
るべきである。特に、立方体を形成するために、各々が
正方形の底面と４つの正三角形側面とを有する６つの四
角錐を組み合わせることができる。同様に、図１に示し
た三角柱を半分に切断し、その正方形の面はそのままに
して、他の光学素子を支持するために差込部を設けるこ
とができる一対の新たな斜辺面を形成してもよい。
【００３４】したがって、以上に説明した特定の実施態
様は、本発明の一般的な原理の単なる例示にすぎないこ
とが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましいブロックまたは部品を構成す
るプリズムを示す図である。
【図２】本発明の好ましいブロックまたは部品を構成す
るプリズムを示す図である。
【図３】本発明による基本部品を構成する立方体を構成
するために互いに連結された図１に示した一対のプリズ
ムを示す斜視図である。
【図４】図３に示した立方体の断面図である。
【図５】本発明による部品で形成される代表的な光学ネ
ットワークの一部を示す図である。
【図６】プリズム上に支持された電子デバイスおよび電
気光学デバイスを示す図である。
【図７】わずかに変更が加えられた一対のプリズムによ
って形成される立方体の断面図である。
【図８】ビーム導波路に連結されるプラグイン式モジュ
ールを示す図である。
【図９】図８に示したプラグイン式モジュールのＡ−Ａ
線に沿った断面図である。
【図１０】コネクタモジュールの一部を示す図である。
【図１１】図１０に示したコネクタモジュールの一部を
示す平面図である。
【図１２】径が徐々に大きくなる光ファイバーと共に用
いられるコネクタモジュールを示す図である。
【符号の説明】
１２ａ，１２ｂ 正方形面 １２ｃ 斜辺面 １４，２１ａ，２１ｂ，２５ａ，２５ｂ，４１，５１
ａ，５２ａ 差込部 １６ 嵌合ピン １８ ソケット ２１，２２，２３，２４，２５，５０ 光キューブ ２６，６０，６１ 光ビーム ２７ プラグインモジュール ４０，５１，５２ プリズム ４０ａ，４０ｂ 表面 ４２，５４ 電気光学パッケージ ４３ プリント回路 ４４ パッケージ ５３ 導体線 ５５ レンズアレイ ５６ 集積回路装置 ５７ 雄型嵌合部 ５８ 雌型嵌合部 ８０ コネクタモジュール ８１ 光ファイバー ８２ マイクロレンズアレイ ８３ Ｖ字型溝 ８７ ばねクリップ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デービット ニールソン アメリカ合衆国、ニュージャージー 08540、プリンストン、 インディペン デンス ウェイ ４ エヌ・イー・シ ー・リサーチ・インスティテューテュ・ インク内 (72)発明者 テイ ジン キム アメリカ合衆国、ニュージャージー 08540、プリンストン、 インディペン デンス ウェイ ４ エヌ・イー・シ ー・リサーチ・インスティテューテュ・ インク内 (56)参考文献 特開 平10−19735（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−37722（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−62406（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−23825（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 5/04 G02B 7/00 G02B 7/18 - 7/24

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 モジュール式のブロックとして用いられ
    る光学部品であって、 光学的に透明で、実質的に同様な一対の入力表面および
    出力表面と第３の表面とを含み、前記入力表面および前
    記出力表面の少なくとも一方が中央に差込部開口を含む
    プリズム形要素と、 前記各表面の一つ以上の表面に設けられ、複数の前記プ
    リズム形要素を互いに連結させることができる雌型嵌合
    手段および雄型嵌合手段の組み合わせとを有する光学部
    品。
  2. 【請求項２】 前記入力表面および前記出力表面の少な
    くとも一方が、前記差込部に、前記第３の表面に焦点を
    合わされたマイクロレンズアレイを含む請求項１に記載
    の光学部品。
  3. 【請求項３】 前記第３の表面がビーム配向手段アレイ
    を支持している請求項１に記載の光学部品。
  4. 【請求項４】 前記入力表面および前記出力表面の少な
    くとも一方が、その差込部に、前記第３の表面に焦点を
    合わせられたマイクロレンズアレイを含み、前記第３の
    表面は前記マイクロレンズアレイと位置関係が調整され
    たビーム配向手段アレイを含む請求項１に記載の光学部
    品。
  5. 【請求項５】 前記プリズム形要素が直角三角形プリズ
    ムである請求項１に記載の光学部品。
  6. 【請求項６】 一対のプリズム形要素を有し、２つのプ
    リズムのそれぞれの斜辺面が互いに対向して配置され、
    前記２つのプリズムが該２つのプリズムに設けられた雌
    型嵌合手段および雄型嵌合手段によって互いに連結され
    ている請求項５に記載の光学部品。
  7. 【請求項７】 前記２つのプリズムの一方の、前記入力
    表面および前記出力表面の少なくとも一方が、送信手段
    アレイまたは受信手段アレイを支持している請求項６に
    記載の光学部品。
  8. 【請求項８】 前記２つのプリズムの一方の入力表面が
    送信手段アレイを含み、前記２つのプリズムの他方の出
    力表面が受信手段アレイを含む請求項６に記載の光学部
    品。
  9. 【請求項９】 所定のパターンで入射光を偏向させるビ
    ーム配向手段が備えられている請求項６に記載の光学部
    品。
  10. 【請求項１０】 各プリズムの中央の差込部の表面に、
    前記送信手段からの光を前記第３の表面上に集光し、前
    記第３の表面からの光を前記受信手段上に集光するよう
    に配置されたマイクロレンズが備えられている請求項９
    に記載の光学部品。
  11. 【請求項１１】 前記プリズムが、正方形の底面を有す
    る四角錐であって、６つの該四角錐が組み合わされて光
    キューブを構成することができる四角錐である請求項１
    に記載の光学部品。
  12. 【請求項１２】 複数の前記各光学部品は、光ネットワ
    ークを構成するためのモジュール式組立品を成すように
    互いに連結されている請求項１に記載の光学部品。
  13. 【請求項１３】 光ファイバーアレイを支持する手段で
    あって、前記プリズムの一方の表面にある中央の差込部
    開口の壁面に設けられたＶ字型溝にはめ込まれるように
    Ｖ字型溝の形状に形成されている手段を有する、光ネッ
    トワークを成すモジュール式組立品に用いられる請求項
    １２に記載の光学部品。
  14. 【請求項１４】 前記光ファイバーアレイを支持する手
    段が、前記プリズムに連結されるためのばねクリップ手
    段を含む請求項１３に記載の光学部品。
  15. 【請求項１５】 前記光ファイバーアレイの光ファイバ
    ーが、徐々に径が大きくなる自由端を有する請求項１３
    に記載の光学部品。
  16. 【請求項１６】 前記光ファイバーの自由端が、直角三
    角形プリズムの斜辺面上に支持されたマイクロレンズと
    放射状に結合するよう配置されている請求項１５に記載
    の光学部品。
  17. 【請求項１７】 請求項１に記載の複数の光学部品が情
    報処理装置を構成するために互いに連結されて成る光学
    モジュール組立品。
  18. 【請求項１８】 請求項１に記載の複数の光学部品が送
    信手段と受信手段との間の光信号の経路を決定する装置
    を構成するために互いに連結されて成り、前記送信手段
    および前記受信手段は前記装置を構成する前記複数の光
    学部品に連結されている光学モジュール組立品。
  19. 【請求項１９】 光学的に透明で、実質的に同様な一対
    の入力表面および出力表面と第３の表面とを含み、前記
    入力表面および前記出力表面の少なくとも一方が中央に
    差込部開口を含む複数のプリズム形要素を有し、 該各プリズム形要素は、前記各表面の一つ以上の表面に
    設けられ、複数の前記プリズム形要素を互いに連結させ
    る雌型嵌合手段および雄型嵌合手段の組み合わせを備え
    ている光学ネットワーク。
  20. 【請求項２０】 雌型嵌合手段および雄型嵌合手段が表
    面に備えられたプラグイン式モジュールであって、前記
    雌型嵌合手段および前記雄型嵌合手段によって該プラグ
    イン式モジュールが前記プリズム形要素の一方に連結さ
    れるプラグイン式モジュールをさらに有する請求項１９
    に記載の光学ネットワーク。
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