JP3886946B2 - 全光信号再生装置及び再生方法 - Google Patents

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Description

本発明は光通信網で歪曲された光信号を増幅、再生及び再同期化過程を通じて再生する全光信号再生装置及び再生方法に関する。
近年、インターネットによる幾何級数的なデータトラフィックの増加により大容量波長分割多重方式(ＷＤＭ:Wavelength Division Multiplexing)の光通信網が要求されている。今後、大容量光通信網は、おそらくチャンネル当たり１０Gb/s〜４０Gb/sの高速データを受容する長距離ＷＤＭ光伝送網、ＯＸＣ(optical cross-connect)、ＯＡＤＭ(optical add/drop Multiplexer)及び光ルータ(optical router)などにより構築されるであろう。かかる光通信網で１０Gb/s以上の高速光信号は、光ファイバーで発生する色分散と非線形現象、ＥＤＦＡ(Erbium-Doped Fiber Amplifier)で発生するＡＳＥ(Amplified Spontaneous Emission)雑音、ＯＸＣ、ＯＡＤＭ及び光ルータなどの光ノードで発生する漏話、雑音、非線形現象などにより激しく歪曲される。これにより、光信号振幅変動(Amplitude Fluctuation)、タイミングジッタ(timing jitter)などが発生する。
したがって、このような問題を解決するために歪曲された光信号を再生(regenerating)、増幅(reamplifying)及び再同期化(retiming)することにより、信号性能を改善できる３Ｒ信号再生器が要求される。
従来では光信号を電気信号に変換して電気的３Ｒを行い、これを再度光信号に変換して伝送するＯ/Ｅ/Ｏ(Optical/Electronic/Optical)３Ｒ信号発生器が使用されてきた。しかし、電気的３Ｒ方式は光信号の固有特性である透明性(transparency)を維持できず、波長チャンネルの速度が４０Gb/s程度と高速になる場合、電気的３Ｒではその処理に限界がある。
かかる問題を解決するために歪曲された光信号を全光領域で再生する全光(all optical)３Ｒ信号発生器が研究開発されており、数十Gb/sの高速ゼロ復帰(ＲＺ:return-to-zero)光信号を再生できる装置が発表された。
しかし、従来の全光３Ｒ信号再生方式はゼロ復帰(ＲＺ)光信号のみの再生が可能であるため、ＯＴＤＭ方式には効率的に使用できるが、非ゼロ復帰(ＮＲＺ:none return-to-zero)光信号が主に使用されるＷＤＭ方式の光通信網には適合でない。さらに、３Ｒ信号再生過程中の再同期化動作を行うためには光クロック抽出が要求されるが、光クロック抽出は技術的にも非常に複雑であり、その技術水準も初期段階にある。
したがって、前述の問題を解決するために本発明は、ＷＤＭ光通信網で歪曲された光信号を増幅、再生及び再同期化過程を通じて再生する全光信号再生装置及び再生方法を提供することにその目的がある。
また、本発明の他の目的は、電気的３Ｒ方式の信号処理速度の限界を克服し、データ速度やフォーマットにかかわらず、信号再生を可能にする全光信号再生装置及び再生方法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、４０Gb/sの速度を有する非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号の全光再生を光クロック抽出無しに行える全光信号再生装置及び再生方法を提供することにある。
このような目的を達成するための本発明の全光信号再生装置は、所定周波数の光クロックパルス信号を発生する光クロック発生部と、光クロック発生部の光クロックパルス信号に同期して歪曲された非ゼロ復帰(ＮＲＺ：non-return-to-zero)光信号をサンプリングする光信号サンプリング部と、光クロック発生部の光クロックパルス信号に同期してサンプリング部の出力信号を再生する光信号再生部と、光信号再生部で再生された光信号を非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号に変換するゼロ復帰(ＲＺ: return-to-zero)/非ゼロ復帰(ＮＲＺ)変換部と、を備えてなることを特徴とする。
この全光信号再生装置における光クロック発生部は、正弦波形態の電気クロックを発生する電気クロック発生器と、電気クロック発生器のクロック信号に同期して超短光クロックパルスを発生する光超短パルス発生器と、光超短パルス発生器で発生された光クロックパルスを所定個数に分波する光スプリッターと、光スプリッターにより分波された各々の光信号を光遅延線を通じて所定時間遅延させた後、これを結合する光結合器と、を備えてなると好ましい。
光信号サンプリング部は第１光信号サンプリング部及び第２光信号サンプリング部から構成され、光クロック発生部で発生された光クロックパルス信号が光結合器で分波された後、一方は遅延無しに第１光信号サンプリング部へ入力され、他方は半ビット光遅延器を通じて第２光サンプリング部へ入力されるとよい。
また、本発明による全光信号再生装置は、全光信号再生装置へ入力される入力信号の電力と第１光信号サンプリング部及び第２光信号サンプリング部の出力信号の電力とを比較する電力比較器と、電力比較器から制御信号を受信して正しくサンプリングされた出力信号を選択する光スイッチと、をさらに備えてなると好ましい。この場合、第１光信号サンプリング部及び第２光信号サンプリング部はＭＺＩ(Mach-Zehnder interferometer)及び光サーキュレータを備えるとなおよい。
ゼロ復帰/非ゼロ復帰(ＲＺ/ＮＲＺ)変換部は、ゼロ復帰(ＲＺ)光信号を受信して非ゼロ復帰（ＮＲＺ）光信号を出力する光サーキュレータと、ＣＷ(continuous wave)レーザーと、光サーキュレータとＣＷレーザーから光信号を受信し、光サーキュレータに非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号を出力するＭＺＩと、を備えるとさらに好ましい。
ＭＺＩは、光クロックパルス信号を受信し、該光クロックパルス信号を分離及び結合する第１光結合器と、歪曲された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号を受信し、非ゼロ復帰光信号を分離及び結合する第２光結合器と、第１結合器で分離された光クロックパルス信号を所定時間遅延させる遅延器と、遅延器により遅延された光クロックパルス信号と第２光結合器で分離された光信号のうち、一方を受信する第１半導体光増幅器と、第１結合器で分離された光クロックパルス信号と第２光結合器で分離された光信号のうち、他方を受信する第２半導体光増幅器と、第２半導体光増幅器の出力信号の位相を変化させて第１光結合器へ入力する位相変換器と、を備えてなるとよい。
さらに、前述の目的を達成するための本発明の全光信号再生方法は、ＷＤＭ光通信網で歪曲された光信号を再生する全光信号再生方法において、光クロックパルス信号を発生する過程と、光クロックパルス信号に同期して歪曲された光信号をサンプリングする過程と、光クロックパルス信号に同期してサンプリングされた光信号を再生する過程と、再生された光信号を非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号に変換する過程と、を備えてなることを特徴とする。
この方法における歪曲された光信号をサンプリングする過程は、光クロックパルス信号を遅延しない光クロックパルス信号と半ビット遅延した光クロックパルス信号に分波する過程と、分波された各々の光クロックパルス信号に同期して二つの光サンプリング部で歪曲された光信号をサンプリングする過程と、サンプリングされた光信号の電力を比較して正しくサンプリングされた光信号を選択する過程と、をさらに含むとよい。
本発明の全光信号再生装置は、電気的３Ｒ信号再生装置の信号処理速度限界を克服することができ、データ速度やフォーマットにかかわらず、信号再生が可能でその透明性を維持することができる。
また、本発明の全光信号再生装置は光クロック抽出装置を必要としないので、全光３Ｒ信号再生器の製作時の構成がより簡単であり、従来の方式で解決できない４０Gb/sの非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号の全光信号再生が可能になる。
以下、本発明の好適な一実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
図１は本発明の好ましい一実施例による全光信号再生装置の構成を示すブロック図であり、図２は図１の各ブロックにおける信号の動作タイミング図である。
図１を参照すれば、本発明の一実施例による全光信号再生装置は、４０GHzの光クロック発生部１００、光信号サンプリング部２００、電力比較器３００、光スイッチ４００、光信号再生部５００、全光ゼロ復帰/非ゼロ復帰(ＲＺ/ＮＲＺ)変換部６００及びＣＷ(continuous wave)レーザー７００で構成される。
４０GHzの光クロック発生部１００は４０GHzの周波数を有する超短光パルス列を発生する。
光信号サンプリング部２００は第１光信号サンプリング部２５０及び第２光信号サンプリング部２６０からなり、全光信号再生装置へ入力される歪曲された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号を４０GHzの光クロックパルス信号を用いてサンプリングする。
電力比較器３００は全光信号再生装置へ入力される入力信号の電力と光信号サンプリング部２００の出力信号の電力とを比較して正しくサンプリングされた出力を選択するように光スイッチ４００へ制御信号を伝送する。光スイッチ４００は正しくサンプリングされた信号の出力を選択して光信号再生部５００へ伝送する。
光信号再生部５００は信号再生機能を実行し、ゼロ復帰/非ゼロ復帰(ＲＺ/ＮＲＺ)変換部６００は再生された光信号を非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号に変換する機能を行う。
上述した構成をもつ本発明の一実施例による全光信号再生装置の動作は次の通りである。
図１及び図２を参照すれば、全光信号再生器へ入力される歪曲された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号は振幅変動とタイミングジッタを伴って入力される。入力された光信号は５０：５０光結合器(50:50 optical coupler)１０で分波されてそれぞれ第１光信号サンプリング部２５０と第２光信号サンプリング部２６０へ入力される。４０GHzの光クロック発生部１００から発生された光クロックパルス信号は、５０：５０光結合器２０で分波された後、一方は遅延無しに第１光信号サンプリング部２５０に入力され、他方は半ビット(Ｔ/２)光遅延器３０を通じて第２光信号サンプリング部２６０に入力される。
第１光信号サンプリング部２５０及び第２光信号サンプリング部２６０は光クロックパルス信号を用いて歪曲された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号をそれぞれサンプリングして出力する。サンプリングされた光信号は、それぞれの光結合器４０，５０で一部の電力が分波されて、電力比較器３００へ伝送される。電力比較器３００は正しくサンプリングされた出力を選択するように光スイッチ４００へ制御信号を伝送する。図２では、第２光信号サンプリング部の出力が正しくサンプリングされたので、光スイッチは第２サンプリング部の出力を選択して光信号再生部５００へ伝送する。上述した過程を通じて歪曲された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号が４０GHzの光クロックパルス信号に同期されてスイッチング機能が行われる。
光スイッチ４００で選択された信号は歪曲された入力光信号のサンプリングにより得られたものなので、依然として振幅変動特性をもつ。光信号再生部５００では４０GHzの光クロックパルス信号を用いてサンプリングされた信号が同一振幅を有するように、光信号の再生を行う。再生されたゼロ復帰(ＲＺ)光信号は全光ゼロ復帰/非ゼロ復帰(ＲＺ/ＮＲＺ)変換部６００でＣＷレーザー信号７００を用いて非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号に変換され、この際、増幅も行われる。上述した過程を通じて歪曲された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号の全光３Ｒ信号再生が行われる。
図３は本発明の一実施例による４０GHzの光クロック発生部１００の具体的な装置構成を示す図であり、図４は図３の動作タイミング図である。
４０GHzの光クロック発生部１００は１０GHzの電気クロック発生器１１０、光超短パルス発生器１２０、光スプリッター１３０、光遅延線１４０及び光結合器１５０で構成され、次のような動作特性を有する。
図３及び図４を参照すれば、１０GHzの電気クロック発生器１１０は正弦波形態の電気クロックを発生し、光超短パルス発生器１２０は１０GHzの電気クロックを用いて１０GHzの超短光クロックパルスを発生する。１０GHzの光クロックパルスは、１×４光スプリッター１３０で四つの光信号に分離され、それぞれ、０（遅延無しに）(１４１)、Ｔ/４(１４２)、Ｔ/２(１４３)、３Ｔ/４(１４４)の光遅延過程後、４×１光結合器１５０で結合されて４０GHzの光クロックパルス信号として生成された後、光信号サンプリング部２００及び光信号再生部５００へ伝送される。
図５は本発明の一実施例による光信号サンプリング部２００の具体的な装置構成を示した図であり、図６Ａ〜図６Ｄは図５の動作タイミング図である。
図１及び図５を参照すれば、光信号サンプリング部２００は第１光信号サンプリング部２５０及び第２光信号サンプリング部２６０からなり、この第１光信号サンプリング部２５０及び第２光信号サンプリング部２６０は、それぞれ二つの光結合器２２１，２２５、光遅延線２２２、二つの半導体光増幅器(ＳＯＡ:semiconductor optical amplifier)２２３，２２４及び位相変換器２２６が実装されたＭＺＩ(Mach-Zehnder interferometer)２２０と光サーキュレータ２１０で構成され、次のような動作を行う。
図５及び図６Ａ〜図６Ｄを参照すれば、光信号サンプリング部２００の左側（図５）から入力される４０GHzの光クロックパルス信号(図６Ａ)は光サーキュレータ２１０を通じてＭＺＩ２２０へ入力される。入力された光クロックパルス信号は、光結合器２２１で二つに分離されて上側（図５）の信号は遅延無しに、下側の信号はτ(τ<<Ｔ/２)の光遅延線２２２を通じてそれぞれ半導体光増幅器２２３，２２４へ入力される。さらに、歪曲された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号は右側（図５）の５０：５０光結合器２２５で二つに分波されてそれぞれ半導体光増幅器２２３，２２４に入力される。光クロックパルス信号は半導体光増幅器２２３，２２４の利得ダイナミックス(gain dynamics)を変化させて図６Ｂのように入力された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号の位相を変化させる。
この際、上側の光信号Φ１と下側の光信号Φ２の位相変化はτだけの時間差を有する。上側の半導体光増幅器２２３から出力された非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号は位相変換器２２６でφαの付加的位相変化を得、下側の半導体光増幅器２２４から出力される非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号はτだけの光遅延を得た後、それぞれ図６Ｃに示したように、φ１，φ２の位相をもって光結合器２２１で結合される。この際、φ１，φ２の位相は２τだけの時間差を有する。光結合器２２１で結合された光信号は、図６Ｄに示したように、φ１−φ２の位相差をもつことで２τ時間の間にπの位相変化を有する信号が出力される。また、ＭＺＩ２２０で上側の光信号と下側の光信号もπの基本位相差を有する。したがって、図６Ｄで０、πの位相差を有する部分は実際にはそれぞれπ、２πの位相差を有する。この際、πの位相差は相殺干渉(offset interference)を、２πの位相差は強化干渉(reinforcement interference)を意味するので、非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号のうち、２τだけがサンプリングされて光サーキュレータ２１０を通じて出力される。
図１を再び参照すれば、電力比較器３００は、全光信号再生装置へ入力される入力信号の電力と、第１光信号サンプリング部２５０及び第２光信号サンプリング部２６０の出力信号の電力と、を比較して正しくサンプリングされた出力を選択するように光スイッチ４００へ制御信号を伝送する。光スイッチ４００は正しくサンプリングされた出力信号を選択し、この選択信号を光信号再生部５００へ伝送する。
光信号再生部５００は二つの半導体光増幅器、π位相変換器及び半ビット光遅延線が実装されたＭＺＩと光サーキュレータで構成され、光スイッチにより選択された信号を再生する。このような光信号再生部５００の構成及び動作は後述する全光ゼロ復帰/非ゼロ復帰(ＲＺ/ＮＲＺ)変換部６００でＣＷレーザーを４０GHzの光クロック発生器に置換した構成及び動作と同一である。
図７は本発明の一実施例によるゼロ復帰/非ゼロ復帰(ＲＺ/ＮＲＺ)変換部６００の具体的な装置構成を示した図であり、図８Ａ〜図８Ｄは図７の動作タイミング図である。
図７に示したように、全光ゼロ復帰/非ゼロ復帰(ＲＺ/ＮＲＺ)変換部６００は二つの光結合器６２１，６２５、光遅延線６２２、二つの半導体光増幅器（ＳＯＡ）６２３，６２４及び位相変換器６２６が実装されたＭＺＩ６２０、光サーキュレータ６１０及びＣＷレーザー６３０で構成され、光信号再生部５００で再生されたゼロ復帰(ＲＺ)光信号を非ゼロ復帰(ＮＲＺ)信号の形態に変換する。
図７及び図８Ａ〜図８Ｄを参照すれば、光信号再生部５００で再生されたゼロ復帰(ＲＺ)光信号(図８Ａ)は光サーキュレータ６１０を通じてＭＺＩ６２０へ入力される。入力されたゼロ復帰(ＲＺ)光信号は光結合器６２１で上側と下側（図７）に分波され、それぞれ０遅延，Ｔ/２遅延を通じて半導体光増幅器６２３，６２４に入力される。また、ＣＷレーザー６３０から発生された光信号も光結合器６２５で分波されてそれぞれ半導体光増幅器６２３，６２４に入力される。左側から入力されるゼロ復帰(ＲＺ)光信号は半導体光増幅器６２３，６２４の利得ダイナミックスを変化させて図８Ｂに示したように右側から入力されるＣＷ光信号の位相を変化させる。
この際、上側の光信号Φ１と下側の光信号Φ２の位相変化はＴ/２だけ時間差を有する。上側の半導体光増幅器６２３から出力されるＣＷレーザーで発生される光信号は位相変換器６２６でπの位相変化を得、下側の半導体光増幅器６２４から出力される光信号はＴ/２の光遅延を得た後、図８Ｃに示したように、φ１，φ２の位相をもって光結合器６２１で結合される。この際、φ１，φ２の位相はＴだけ、すなわち、１ビットの時間差を有する(図８Ｃ)。光結合器６２１で結合された光信号は、図８Ｄに示したように、φ１−φ２の位相差を有するが、ＭＺＩ６２０で発生するπの基本位相差を考慮すると、図８Ｄの０，πの位相差を有する部分は実際にはそれぞれπ、２πの位相差を有する。したがって、光結合器６２１から出力されるＣＷ光信号のうち、位相差０の部分は相殺干渉を通じて消え、位相差πの部分は強化干渉過程の後に光サーキュレータ６１０を通じて出力される。したがって、前述の過程を通じてゼロ復帰(ＲＺ)光信号を非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号に変換する。
以上、本発明の発明を実施するための最良の形態では具体的な一実施例について説明したが、特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が当該技術分野における通常の知識を持つ者により可能なのは明らかである。
本発明の一実施例による全光信号再生装置の構成を示したブロック図。 図１の動作タイミング図。 本発明の一実施例による光クロック発生装置の構成を示した図。 図３の動作タイミング図。 本発明の一実施例による光サンプリング装置の構成を示した図。 Ａ〜Ｄは図５の動作タイミング図。 本発明の一実施例によるゼロ復帰/非ゼロ復帰変換器の構成を示した図。 Ａ〜Ｄは図７の動作タイミング図。
符号の説明
１０，２０ ５０：５０光結合器
３０ 半ビット(Ｔ/２)光遅延器
４０，５０ 光結合器
１００ ４０GHzの光クロック発生部
２００ 光信号サンプリング部
２５０ 第１光信号サンプリング部
２６０ 第２光信号サンプリング部
３００ 電力比較器
４００ 光スイッチ
５００ 光信号再生部
６００ 全光ゼロ復帰/非ゼロ復帰(ＲＺ/ＮＲＺ)変換部
７００ ＣＷレーザー

Claims (9)

  1. 光通信網で歪曲された光信号を増幅、再生及び再同期化過程を通じて再生する全光信号再生装置であって、
    所定周波数の光クロックパルス信号を発生する光クロック発生部と、
    該光クロック発生部の光クロックパルス信号に同期して歪曲された非ゼロ復帰光信号をサンプリングする光信号サンプリング部と、
    前記光クロック発生部の光クロックパルス信号に同期して前記サンプリング部の出力信号を再生する光信号再生部と、
    該光信号再生部で再生された光信号を非ゼロ復帰光信号に変換するゼロ復帰/非ゼロ復帰変換部と、を備えてなることを特徴とする全光信号再生装置。
  2. 前記光クロック発生部は、
    正弦波形態の電気クロックを発生する電気クロック発生器と、
    該電気クロック発生器のクロック信号に同期して超短光クロックパルスを発生する光超短パルス発生器と、
    該光超短パルス発生器で発生された光クロックパルスを所定個数に分波する光スプリッターと、
    該光スプリッターにより分波された各々の光信号を光遅延線を通じて所定時間遅延させた後、これを結合する光結合器と、を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の全光信号再生装置。
  3. 前記光信号サンプリング部は、第１光信号サンプリング部及び第２光信号サンプリング部から構成され、
    前記光クロック発生部で発生された光クロックパルス信号が光結合器で分波された後、一方は遅延無しに前記第１光信号サンプリング部へ入力され、他方は半ビット光遅延器を通じて前記第２光サンプリング部へ入力されることを特徴とする請求項１に記載の全光信号再生装置。
  4. 前記全光信号再生装置は、
    前記全光信号再生装置へ入力される入力信号の電力と前記第１光信号サンプリング部及び第２光信号サンプリング部の出力信号の電力とを比較する電力比較器と、
    該電力比較器から制御信号を受信して正しくサンプリングされた出力信号を選択する光スイッチと、をさらに備えてなることを特徴とする請求項３に記載の全光信号再生装置。
  5. 前記第１光信号サンプリング部及び第２光信号サンプリング部はＭＺＩ及び光サーキュレータを備えることを特徴とする請求項３に記載の全光信号再生装置。
  6. 前記ゼロ復帰/非ゼロ復帰変換部は、
    ゼロ復帰光信号を受信して非ゼロ復帰光信号を出力する光サーキュレータと、
    ＣＷレーザーと、
    前記光サーキュレータと前記ＣＷレーザーから光信号を受信し、前記光サーキュレータに非ゼロ復帰(ＮＲＺ)光信号を出力するＭＺＩと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の全光信号再生装置。
  7. 前記ＭＺＩは、
    前記光クロックパルス信号を受信し、該光クロックパルス信号を分離及び結合する第１光結合器と、
    前記歪曲された非ゼロ復帰光信号を受信し、該非ゼロ復帰光信号を分離及び結合する第２光結合器と、
    前記第１結合器で分離された光クロックパルス信号を所定時間遅延させる遅延器と、
    前記遅延器により遅延された光クロックパルス信号と前記第２光結合器で分離された光信号のうち、一方を受信する第１半導体光増幅器と、
    前記第１結合器で分離された光クロックパルス信号と前記第２光結合器で分離された光信号のうち、他方を受信する第２半導体光増幅器と、
    前記第２半導体光増幅器の出力信号の位相を変化させて前記第１光結合器へ入力する位相変換器と、を備えてなることを特徴とする請求項６に記載の全光信号再生装置。
  8. 光通信網で歪曲された光信号を増幅、再生及び同期化過程を通じて再生する全光信号再生方法であって、
    光クロックパルス信号を発生する過程と、
    該光クロックパルス信号に同期して前記歪曲された光信号をサンプリングする過程と、
    前記光クロックパルス信号に同期して前記サンプリングされた光信号を再生する過程と、
    該再生された光信号を非ゼロ復帰光信号に変換する過程と、を含むことを特徴とする全光信号再生方法。
  9. 前記歪曲された光信号をサンプリングする過程は、
    前記光クロックパルス信号を遅延しない光クロックパルス信号と半ビット遅延した光クロックパルス信号に分波する過程と、
    該分波された各々の光クロックパルス信号に同期して二つの光サンプリング部で前記歪曲された光信号をサンプリングする過程と、
    該サンプリングされた光信号の電力を比較して正しくサンプリングされた光信号を選択する過程と、をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の全光信号再生方法。
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