JP3397211B2 - 光導波路型レーザ - Google Patents
光導波路型レーザInfo
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- JP3397211B2 JP3397211B2 JP14729892A JP14729892A JP3397211B2 JP 3397211 B2 JP3397211 B2 JP 3397211B2 JP 14729892 A JP14729892 A JP 14729892A JP 14729892 A JP14729892 A JP 14729892A JP 3397211 B2 JP3397211 B2 JP 3397211B2
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- JP
- Japan
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- optical waveguide
- grating
- type laser
- waveguide type
- laser
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信，光情報処理，
光計測などの分野において光源としての利用価値が高い
光導波路型希土類イオン添加ガラスレーザの構造に関す
るものである。
光計測などの分野において光源としての利用価値が高い
光導波路型希土類イオン添加ガラスレーザの構造に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】Ｅｒ，Ｎｄなどの希土類イオンをコアに
添加した石英系光導波路型レーザは、導波路構造による
光閉じこめ効果を利用して低い励起光強度の発振しきい
値と高い変換効率を得ることができ、小型であるため、
光通信，光情報処理，光計測などの分野において様々な
応用が期待されている。とりわけ、活性イオンとして、
Ｅｒイオンを添加した光導波路型レーザは、光通信に重
要な１．５μｍ帯に発光帯を有するので極めて利用価値
が高い。Ｅｒイオンは、０．８２μｍ帯，０．９８μｍ
帯および１．４８μｍ帯など近赤外領域に吸収帯を有
し、これらに適合した波長の光で励起され、１．５μｍ
帯の光を誘導放出する。
添加した石英系光導波路型レーザは、導波路構造による
光閉じこめ効果を利用して低い励起光強度の発振しきい
値と高い変換効率を得ることができ、小型であるため、
光通信，光情報処理，光計測などの分野において様々な
応用が期待されている。とりわけ、活性イオンとして、
Ｅｒイオンを添加した光導波路型レーザは、光通信に重
要な１．５μｍ帯に発光帯を有するので極めて利用価値
が高い。Ｅｒイオンは、０．８２μｍ帯，０．９８μｍ
帯および１．４８μｍ帯など近赤外領域に吸収帯を有
し、これらに適合した波長の光で励起され、１．５μｍ
帯の光を誘導放出する。
【０００３】希土類添加光導波路型レーザ共振器をグレ
ーティング反射鏡を用いて構成することにより、グレー
ティング周期により発振波長を制御でき、同時に発振ス
ペクトルの狭線幅化が可能である。従来のグレーティン
グを有する光導波路型レーザの構造を、図４に示す。こ
れは本発明者らにより発明されたものである（特開平２
−２５０８３号）。希土類イオンを添加した光導波路コ
ア３にエッチングを施して凹凸グレーティング構造４を
形成し、火炎堆積法により上部クラッド層５を堆積して
埋め込み導波路を作製する。１は基板、２は下部クラッ
ド層である。グレーティングの周期および深さにより、
反射波長および反射率を制御できる。
ーティング反射鏡を用いて構成することにより、グレー
ティング周期により発振波長を制御でき、同時に発振ス
ペクトルの狭線幅化が可能である。従来のグレーティン
グを有する光導波路型レーザの構造を、図４に示す。こ
れは本発明者らにより発明されたものである（特開平２
−２５０８３号）。希土類イオンを添加した光導波路コ
ア３にエッチングを施して凹凸グレーティング構造４を
形成し、火炎堆積法により上部クラッド層５を堆積して
埋め込み導波路を作製する。１は基板、２は下部クラッ
ド層である。グレーティングの周期および深さにより、
反射波長および反射率を制御できる。
【０００４】この光導波路型レーザの一方の導波路端面
より励起光を入射すると、励起光はグレーティングで反
射されることなく共振器内に結合し、Ｅｒイオンが励起
される。共振器内のＥｒイオンの蛍光はグレーティング
反射波長に一致した波長でのみ反射され、利得が損失を
上回るとレーザ発振を開始し、他方の端面よりグレーテ
ィング反射波長のレーザ発振光を出力する。
より励起光を入射すると、励起光はグレーティングで反
射されることなく共振器内に結合し、Ｅｒイオンが励起
される。共振器内のＥｒイオンの蛍光はグレーティング
反射波長に一致した波長でのみ反射され、利得が損失を
上回るとレーザ発振を開始し、他方の端面よりグレーテ
ィング反射波長のレーザ発振光を出力する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の凹凸グレーティ
ング構造を有する反射鏡は、エッチングに起因するコア
・クラッド界面の不整のためグレーティングの散乱損失
が大きく、その結果高い反射率を得ることが難しく、光
導波路型レーザの発振閾値が大きくなり微分効率が低下
するという効率上の問題点があった。このため、反射率
の高いグレーティングを有する高効率光導波路型レーザ
の開発が待たれていた。
ング構造を有する反射鏡は、エッチングに起因するコア
・クラッド界面の不整のためグレーティングの散乱損失
が大きく、その結果高い反射率を得ることが難しく、光
導波路型レーザの発振閾値が大きくなり微分効率が低下
するという効率上の問題点があった。このため、反射率
の高いグレーティングを有する高効率光導波路型レーザ
の開発が待たれていた。
【０００６】そこで本発明では、高反射率グレーティン
グを有する、発振閾値が小さく微分効率が高い高効率光
導波路型レーザの構造を提供することを目的とする。
グを有する、発振閾値が小さく微分効率が高い高効率光
導波路型レーザの構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、希土類イオンを少なくとも一部に添加し
た光導波路からなるレーザ共振器を平面基板上に構成し
た光導波路型レーザであって、前記光導波路は少なくと
も２箇所の曲線部を有し、該曲線部に、互いに平行な干
渉縞を用いて光誘起グレーティングを形成したことを特
徴とする。
に、本発明は、希土類イオンを少なくとも一部に添加し
た光導波路からなるレーザ共振器を平面基板上に構成し
た光導波路型レーザであって、前記光導波路は少なくと
も２箇所の曲線部を有し、該曲線部に、互いに平行な干
渉縞を用いて光誘起グレーティングを形成したことを特
徴とする。
【０００８】
【作用】光照射により誘起される屈折率変化を利用した
グレーティングを用いることにより、グレーティング反
射鏡の光損失を低減化でき、高い反射率を有するグレー
ティングを得ることができる。これを光導波路型レーザ
に用いることにより、レーザ発振特性を改善することが
できる。
グレーティングを用いることにより、グレーティング反
射鏡の光損失を低減化でき、高い反射率を有するグレー
ティングを得ることができる。これを光導波路型レーザ
に用いることにより、レーザ発振特性を改善することが
できる。
【０００９】
【実施例】以下、実施例により詳細に説明する。
【００１０】石英系光導波路に添加されるゲルマニウ
ム，チタン，リン，セリウム，ユーロピウムなどは、光
照射によりガラス中の結合状態やイオン価数が変化し、
光導波路の屈折率変化を引き起こす。屈折率変化量は、
１０-7から１０-5程度である。照射光の波長は、添加イ
オンの光吸収波長に対応しており、ゲルマニウム，チタ
ン，リンでは紫外吸収域、セリウムやユーロピウム等の
希土類イオンではイオン吸収のある紫外域や可視域であ
る。ゲルマニウム，チタン，リンなどを添加した光導波
路では、多光子吸収を利用して屈折率変化を誘起するこ
とも可能であり、その場合には光電界強度の大きいＮ
ｄ：ＹＡＧモードロックレーザの第２高調波などが用い
られる。
ム，チタン，リン，セリウム，ユーロピウムなどは、光
照射によりガラス中の結合状態やイオン価数が変化し、
光導波路の屈折率変化を引き起こす。屈折率変化量は、
１０-7から１０-5程度である。照射光の波長は、添加イ
オンの光吸収波長に対応しており、ゲルマニウム，チタ
ン，リンでは紫外吸収域、セリウムやユーロピウム等の
希土類イオンではイオン吸収のある紫外域や可視域であ
る。ゲルマニウム，チタン，リンなどを添加した光導波
路では、多光子吸収を利用して屈折率変化を誘起するこ
とも可能であり、その場合には光電界強度の大きいＮ
ｄ：ＹＡＧモードロックレーザの第２高調波などが用い
られる。
【００１１】光誘起屈折率変化を利用して、２光束干渉
法などの書き込み方法により、光導波路中にグレーティ
ングを形成することができる。２光束干渉法によるグレ
ーティング書き込み方法を図２に示す。この方法では、
レーザ光源（ＬＳ）からの上述の各イオンに適した書き
込み波長のレーザ光の高次横モードをスリットＳやピン
ホールＳＰなどの空間フィルタで除去すると共に、複数
のレンズ（ＦＬ，ＣＬ等）によりビーム径を拡大し、ハ
ーフミラーＨＭを用いて２光束に分離した後、ミラーＭ
１，Ｍ２を用いて光導波路（ＳＡＭＰＬＥ）上で干渉さ
せる。干渉縞の周期と同じ周期で干渉縞の強度に応じ
た、石英系ガラス導波路の屈折率変化が誘起され、グレ
ーティングが書き込まれる。ミラーの角度よび露光量に
より、グレーティング周期および屈折率変化量を制御す
ることができ、所定の反射特性を有するグレーティング
を設計、製造することができる。
法などの書き込み方法により、光導波路中にグレーティ
ングを形成することができる。２光束干渉法によるグレ
ーティング書き込み方法を図２に示す。この方法では、
レーザ光源（ＬＳ）からの上述の各イオンに適した書き
込み波長のレーザ光の高次横モードをスリットＳやピン
ホールＳＰなどの空間フィルタで除去すると共に、複数
のレンズ（ＦＬ，ＣＬ等）によりビーム径を拡大し、ハ
ーフミラーＨＭを用いて２光束に分離した後、ミラーＭ
１，Ｍ２を用いて光導波路（ＳＡＭＰＬＥ）上で干渉さ
せる。干渉縞の周期と同じ周期で干渉縞の強度に応じ
た、石英系ガラス導波路の屈折率変化が誘起され、グレ
ーティングが書き込まれる。ミラーの角度よび露光量に
より、グレーティング周期および屈折率変化量を制御す
ることができ、所定の反射特性を有するグレーティング
を設計、製造することができる。
【００１２】光誘起屈折率変化を利用した２光束干渉露
光法では、クラッド層と基板の界面からの干渉光反射を
低減化することにより、設計通りの波長特性を有する反
射ミラーを書き込むことができる。このためには、光導
波路と屈折率の整合した石英基板などを用いることが有
効である。また、屈折率変化を誘起する添加剤として希
土類イオンのセリウムやユーロピウムを用いる場合に
は、希土類イオンを導波路に均一に添加することが重要
であり、リンやアルミニウムなどの副ドーパントを添加
することが有効である。
光法では、クラッド層と基板の界面からの干渉光反射を
低減化することにより、設計通りの波長特性を有する反
射ミラーを書き込むことができる。このためには、光導
波路と屈折率の整合した石英基板などを用いることが有
効である。また、屈折率変化を誘起する添加剤として希
土類イオンのセリウムやユーロピウムを用いる場合に
は、希土類イオンを導波路に均一に添加することが重要
であり、リンやアルミニウムなどの副ドーパントを添加
することが有効である。
【００１３】石英系光導波路はＰＣＶＤ法やスパッタ法
などの低温成膜法で作製可能であり、石英系光ファイバ
と異なり線引き工程で２０００℃もの高温で加熱される
ことがないことから、屈折率変化を誘起するドーパント
を多量に添加できる特徴を有する。このため、大きな屈
折率変化量を小さい書き込み光量で誘起できるので有利
である。また、光導波路は任意の曲線に沿って配置する
ことができることから、グレーティング周期を導波路に
沿って変化させ、反射帯域を拡大したチャープグレーテ
ィングなども容易に設計、製造できる。このため、例え
ば、両端にグレーティング反射鏡を有するレーザでは、
両ミラーの反射波長を一致させ易いなどの利点がある。
などの低温成膜法で作製可能であり、石英系光ファイバ
と異なり線引き工程で２０００℃もの高温で加熱される
ことがないことから、屈折率変化を誘起するドーパント
を多量に添加できる特徴を有する。このため、大きな屈
折率変化量を小さい書き込み光量で誘起できるので有利
である。また、光導波路は任意の曲線に沿って配置する
ことができることから、グレーティング周期を導波路に
沿って変化させ、反射帯域を拡大したチャープグレーテ
ィングなども容易に設計、製造できる。このため、例え
ば、両端にグレーティング反射鏡を有するレーザでは、
両ミラーの反射波長を一致させ易いなどの利点がある。
【００１４】（実施例１）火炎堆積法により各種元素を
添加したＥｒ添加光導波路を作製し、光照射によるグレ
ーティング形成を検討した。表１に光導波路の添加元素
とグレーティング書き込み用レーザおよび照射条件（波
長，光強度，照射時間）を示す。ゲルマニウム，チタ
ン，リン添加導波路の紫外線照射にはアレキサンドライ
トレーザの第３の高調波（ＴＨＧ）を用い、セリウム，
ユーロピウム添加導波路の可視光照射には、それぞれ、
色素レーザの第２高調波（ＳＨＧ）およびアルゴンレー
ザを使用した。図２に示した２光束干渉露光光学系を用
い、波長１．５５μｍに反射帯を持つように書き込み波
長に応じてミラー角度などの光学系調整を行った。
添加したＥｒ添加光導波路を作製し、光照射によるグレ
ーティング形成を検討した。表１に光導波路の添加元素
とグレーティング書き込み用レーザおよび照射条件（波
長，光強度，照射時間）を示す。ゲルマニウム，チタ
ン，リン添加導波路の紫外線照射にはアレキサンドライ
トレーザの第３の高調波（ＴＨＧ）を用い、セリウム，
ユーロピウム添加導波路の可視光照射には、それぞれ、
色素レーザの第２高調波（ＳＨＧ）およびアルゴンレー
ザを使用した。図２に示した２光束干渉露光光学系を用
い、波長１．５５μｍに反射帯を持つように書き込み波
長に応じてミラー角度などの光学系調整を行った。
【００１５】
【表１】
【００１６】その結果、表１に示すように波長１．５５
μｍにおいて７５％以上の高反射率を有するミラーを形
成することができた。グレーティング書き込み前後にお
ける光損失の増加は０．５ｄＢ以下であった。
μｍにおいて７５％以上の高反射率を有するミラーを形
成することができた。グレーティング書き込み前後にお
ける光損失の増加は０．５ｄＢ以下であった。
【００１７】次に、表１に示したＥｒ添加石英系光導波
路を用い、２光束干渉露光により、図１に示したグレー
ティングを有するＥｒ添加光導波路型レーザ３種類を作
製した。図において６は石英ガラス基板、７は石英系ガ
ラスからなる下部クラッド層、８は希土類イオン添加コ
ア、９は石英系ガラスからなる上部クラッド層、１０は
光誘起グレーティングである。コアとクラッドの比屈折
率差は０．５〜１％である。図１（Ａ）は、一方の反射
鏡にグレーティング１０を用い、もう一方の反射鏡とし
て導波路端面に蒸着した誘電体多層膜ミラー１１を用い
て光共振器を構成した例であり、（Ｂ）は両端の反射鏡
をグレーティング１０を用いて光共振器を構成した例で
あり、（Ｃ）は共振器全体にグレーティング１０を形成
した分布帰還型光共振器の例である。特に、（Ｂ）の場
合には、両端のミラー形成部における導波路屈折率およ
びコア寸法の僅かな相違により２つのグレーティング反
射波長の差異を生じ、高いフィネスのレーザ共振器を構
成しにくい。この問題を解決するため、図３に示すよう
に曲線導波路に干渉露光を施すことにより導波路伝搬方
向でグレーティング周期がなだらかに変化するチャープ
グレーティングを形成し、両端グレーティングの反射波
長を合致させた。Ｅｒ添加導波路のＥｒ含有量は１重量
％、導波路長は３ｃｍである。Ｅｒイオンの吸収帯であ
る９８０ｎｍ帯を歪超格子半導体レーザ（出力１００ｍ
Ｗ）により励起し、レーザ発振実験を行った結果、全て
の光導波路型レーザがグレーティング反射波長に一致し
た１．５５μｍにおいて高い効率で発振することが明ら
かとなった。Ｐ，Ｅｒ添加光導波路を用い片側のみにグ
レーティング反射ミラーを有する光導波路型レーザの特
性は、発振閾値２０ｍＷ，微分効率２０％であった。
路を用い、２光束干渉露光により、図１に示したグレー
ティングを有するＥｒ添加光導波路型レーザ３種類を作
製した。図において６は石英ガラス基板、７は石英系ガ
ラスからなる下部クラッド層、８は希土類イオン添加コ
ア、９は石英系ガラスからなる上部クラッド層、１０は
光誘起グレーティングである。コアとクラッドの比屈折
率差は０．５〜１％である。図１（Ａ）は、一方の反射
鏡にグレーティング１０を用い、もう一方の反射鏡とし
て導波路端面に蒸着した誘電体多層膜ミラー１１を用い
て光共振器を構成した例であり、（Ｂ）は両端の反射鏡
をグレーティング１０を用いて光共振器を構成した例で
あり、（Ｃ）は共振器全体にグレーティング１０を形成
した分布帰還型光共振器の例である。特に、（Ｂ）の場
合には、両端のミラー形成部における導波路屈折率およ
びコア寸法の僅かな相違により２つのグレーティング反
射波長の差異を生じ、高いフィネスのレーザ共振器を構
成しにくい。この問題を解決するため、図３に示すよう
に曲線導波路に干渉露光を施すことにより導波路伝搬方
向でグレーティング周期がなだらかに変化するチャープ
グレーティングを形成し、両端グレーティングの反射波
長を合致させた。Ｅｒ添加導波路のＥｒ含有量は１重量
％、導波路長は３ｃｍである。Ｅｒイオンの吸収帯であ
る９８０ｎｍ帯を歪超格子半導体レーザ（出力１００ｍ
Ｗ）により励起し、レーザ発振実験を行った結果、全て
の光導波路型レーザがグレーティング反射波長に一致し
た１．５５μｍにおいて高い効率で発振することが明ら
かとなった。Ｐ，Ｅｒ添加光導波路を用い片側のみにグ
レーティング反射ミラーを有する光導波路型レーザの特
性は、発振閾値２０ｍＷ，微分効率２０％であった。
【００１８】（比較例）Ｐ，Ｅｒ添加石英系光導波路コ
アにエッチングにより凹凸加工を施し、反射波長が１．
５５μｍのグレーティングを作製した。その結果、反射
率が５０％であることが明らかとなった。グレーティン
グにともなう過剰光損失は１ｄＢであった。
アにエッチングにより凹凸加工を施し、反射波長が１．
５５μｍのグレーティングを作製した。その結果、反射
率が５０％であることが明らかとなった。グレーティン
グにともなう過剰光損失は１ｄＢであった。
【００１９】次に、図１に示したグレーティングを有す
るＥｒ添加光導波路型レーザ３種類を作製した。Ｅｒ添
加導波路のＥｒ含有量は１重量％、導波路長は３ｃｍで
ある。Ｅｒイオンの吸収帯である９８０ｎｍ帯を歪超格
子半導体レーザ（出力５０ｍＷ）により励起し、レーザ
発振実験を行った結果、３種類の光導波路型レーザの全
てがグレーティング反射波長に一致した１．５５μｍに
おいて発振することが明らかとなった。片側のみにグレ
ーティング反射ミラーを有する光導波路型レーザの特性
は、発振閾値４０ｍＷ，微分効率１０％であった。
るＥｒ添加光導波路型レーザ３種類を作製した。Ｅｒ添
加導波路のＥｒ含有量は１重量％、導波路長は３ｃｍで
ある。Ｅｒイオンの吸収帯である９８０ｎｍ帯を歪超格
子半導体レーザ（出力５０ｍＷ）により励起し、レーザ
発振実験を行った結果、３種類の光導波路型レーザの全
てがグレーティング反射波長に一致した１．５５μｍに
おいて発振することが明らかとなった。片側のみにグレ
ーティング反射ミラーを有する光導波路型レーザの特性
は、発振閾値４０ｍＷ，微分効率１０％であった。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波路
型レーザを用いることにより、光損失の小さい高反射グ
レーティングを形成することができ、高い効率の発振特
性を有する光導波路型レーザを実現することができる。
型レーザを用いることにより、光損失の小さい高反射グ
レーティングを形成することができ、高い効率の発振特
性を有する光導波路型レーザを実現することができる。
【図１】本発明の光導波路型レーザの構造を示す模式的
断面図である。
断面図である。
【図２】２光束干渉法によるグレーティング書き込み方
法を示す図である。
法を示す図である。
【図３】両端の反射鏡をグレーティングを用いて光共振
器を構成した例の構造を示す模式的上面図である。
器を構成した例の構造を示す模式的上面図である。
【図４】従来のグレーティングを有する光導波路型レー
ザの構造を示す模式的断面図である。
ザの構造を示す模式的断面図である。
６ 基板
７ 下部クラッド層
８ 希土類添加コア
９ 上部クラッド層
１０ 光誘起グレーティング
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 小熊 学
東京都千代田区内幸町１丁目１番６号
日本電信電話株式会社内
(72)発明者 首藤 啓三
東京都千代田区内幸町１丁目１番６号
日本電信電話株式会社内
(72)発明者 堀口 正治
東京都千代田区内幸町１丁目１番６号
日本電信電話株式会社内
(56)参考文献 特開 平２−222182（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−127591（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−21536（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−110435（ＪＰ，Ａ)
米国特許4725110（ＵＳ，Ａ)
米国特許5091916（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01S 3/00 - 3/30
Claims (3)
- 【請求項１】 希土類イオンを少なくとも一部に添加し
た光導波路からなるレーザ共振器を平面基板上に構成し
た光導波路型レーザであって、前記 光導波路は少なくとも２箇所の曲線部を有し、 該曲線部に、互いに平行な干渉縞を用いて 光誘起グレー
ティングを形成したことを特徴とする光導波路型レー
ザ。 - 【請求項２】 前記光導波路がさらにゲルマニウム，チ
タン，リン，セリウム，ユーロピウムのうち少なくとも
一つの元素を含有することを特徴とする請求項１に記載
の光導波路型レーザ。 - 【請求項３】 前記平面基板が石英ガラスであることを
特徴とする請求項１に記載の光導波路型レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14729892A JP3397211B2 (ja) | 1992-06-08 | 1992-06-08 | 光導波路型レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14729892A JP3397211B2 (ja) | 1992-06-08 | 1992-06-08 | 光導波路型レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05343786A JPH05343786A (ja) | 1993-12-24 |
| JP3397211B2 true JP3397211B2 (ja) | 2003-04-14 |
Family
ID=15427041
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14729892A Expired - Lifetime JP3397211B2 (ja) | 1992-06-08 | 1992-06-08 | 光導波路型レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3397211B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000047046A (ja) * | 1998-07-31 | 2000-02-18 | Toshiyuki Watanabe | 屈折率分布型光学成形体の製造方法 |
-
1992
- 1992-06-08 JP JP14729892A patent/JP3397211B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05343786A (ja) | 1993-12-24 |
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