JP5054099B2 - 可変ゲイン光増幅器 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、可変ゲイン光増幅器に関し、より具体的には、ただし非排他的に、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）に関する。

高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）を用いる光ネットワークにおいては、光の複数の波長が、単一ファイバ上での多重通信チャネルをサポートするために、使用されている。そのようなネットワークでは、何キロメートルにもわたる光ファイバリンクで減衰してしまった光信号を増幅するために、光増幅器が使用される。一般的な増幅器は、ダイオードレーザでポンピングされるＥＤＦＡ要素を含んでいる。ＥＤＦＡ段は、光ファイバリンクを伝送されている光信号の強度を高める。増幅器入力の入力強度および波長成分の変動にかかわらず一定のゲインを提供するために、自動ゲイン制御（ＡＧＣ）をそのような増幅器に含めることが知られている。

ＥＤＦＡ段のゲインは、ファイバ中のエルビウムイオンの反転レベルに依存する。たとえば、ある段の反転レベルが高い場合、その段のゲインは高くなる。ある段の反転レベルが低い場合、その段のゲインは低くなる。種々の動作条件下で安定した反転レベルを維持するための制御エレクトロニクスを使用しなければ、ＥＤＦＡ段のゲインは、許容することができない遷移に陥るであろう。増幅器におけるゲイン遷移は、増幅器からの出力信号の強度に変動をもたらし得る。出力信号が弱すぎれば、その信号を検出することができなくなるかもしれない。出力信号が強すぎれば、その信号はファイバ中で非線形の光学的影響を受けるかもしれない。

図１のグラフは、理想的な光増幅器における異なるポンプ強度についてのゲインでの、入力および出力の強度値の変動を表している。それぞれ８０ｍＷ、１２４ｍＷおよび１５５ｍＷのポンプ強度についての、入力ポンプ強度Ｐｉｎに対する出力ポンプ強度Ｐｏｕｔの変化を表す異なる曲線と、それぞれ８０ｍＷ、１２４ｍＷおよび１５５ｍＷのポンプ強度についての、線形のゲインに対する入力ポンプ強度Ｐｉｎの変化を表す異なる曲線の、要点が示されている。これは、増幅器のゲインプロフィルがポンプ駆動条件によって変動し、したがって、チャネルの追加または除去などの外的条件が、不所望の強度遷移を引き起こし得ることを示している。

図２は、ＥＤＦ１への入力信号の強度Ｐｉｎを測定するために、タップ−オフ結合器の形態をした入力強度検出器２が備えられ、ＥＤＦ１からの出力信号の強度Ｐｏｕｔを測定するために、タップ−オフ結合器の形態をした出力強度検出器３が備えられた、固定ゲインＥＤＦＡ用の既知のＡＧＣを示している。出力強度検出器３からの出力信号は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）４に与えられ、ＡＤＣ４は、測定された強度出力信号を表す出力信号Ｐｍｅａｓを、比較器５の１つの入力に与える。目標強度出力を表す信号Ｐｓｅｔが、比較器５のもう１つの入力に与えられ、この信号は、加算器６において、増幅器におけるＡＳＥノイズの影響を補償するための補償因子を表すＡＳＥ補償器７からの信号Ｆａｓｅ、および、ゲイン設定器８からの目標ゲインを表す信号Ｇと、入力強度検出器２の出力に接続されたＡＤＣ１０によって与えられる信号Ｐｉｎとの積であり、乗算器９によって与えられる信号Ｇ．Ｐｉｎを、加算することによって計算される。

比較器５に与えられる２つの入力信号の差であるエラー信号ｅ（ｔ）が、ＰＩまたはＰＩＤ調整器１１に与えられ、調整器１１は、エラー信号ｅ（ｔ）の関数であるフィードバック信号ＦＢを、最大電流Ｉｍａｘをクリップする電流制限器１２を介して、ポンプ駆動部１４にポンプ駆動信号として与える。この既知のＡＧＣは、使用に際して、応答時間があまりに遅く、たとえば、ポンプ駆動電流の調節が、出力強度を高めるトリガの後、かなりの時間にわたって必要になり、また、不所望の出力強度遷移が生じる結果を招くという主な限界を有している。

図３は、ＥＤＦ１への入力信号の強度Ｐｉｎを測定する入力強度検出器２が、ここでもタップ−オフ結合器の形態で備えられ、入力強度検出器２の出力がＡＤＣ１０に接続された、固定ゲインＥＤＦＡ用の別の既知のＡＧＣを示している。ＡＤＣ１０からの出力信号Ｐｉｎは、乗算器２０の１つの入力に与えられ、乗算器２０の他の入力には、ゲイン設定器２１からの目標ゲイン信号ｍが与えられる。乗算器２０からの出力信号は、加算器２２の１つの入力に与えられ、加算器２２の他の入力には、オフセット設定器２３からの一定のオフセット信号ｃが与えられる。これによって、最大電流Ｉｍａｘをクリップする電流制限器１２を介して、ポンプ駆動部１４に、ポンプ駆動信号として提供されるフィードフォワード信号ＦＦ＝ｍ．Ｐｉｎ＋ｃが、生成される。この既知のＡＧＣは、使用において、図２を参照して説明したフィードバック制御がなされるＡＧＣよりも、はるかに速い応答時間を有するものの、不正確であるという主な限界を有している。特に、この既知のＡＧＣは、温度またはエージングの補償を提供しないので、不所望のゲインおよび遷移制御エラーを生じる結果となる。

米国特許第６４１４７８８号明細書は、図２を参照して説明したフィードバック制御と図３を参照して説明したフィードフォワード制御とを組み合わせた、固定ゲインＥＤＦＡ用のＡＧＣを開示している。これは、図３のフィードフォワード制御による速やかな応答時間という利点と、図２のフィードバック制御による高い正確性という利点との組合せを可能にする。しかし、このＡＧＣは、一般に、固定ゲイン条件に限られる。このＡＧＣにおいては、制御ループの係数は、設計または経験によって決定される固定値に設定され、ゲイン設定点変更において変更されない。

米国特許第６９７５４４９号明細書は、測定された出力強度に応じて制御係数の少なくとも１つを動的に調節する、適応フィードバックに基づくＡＧＣを開示している。この場合、可変ゲイン増幅器（ＶＧＡ）が要求する設定点ゲイン変化は、測定強度条件を変化させ、したがって制御係数を変化させるであろう。しかし、適切なフィードフォワード系を欠くため、このアプローチにおいては応答速度に限界がある。

米国特許第６５２２４６０号明細書は、図２を参照して説明したフィードバック制御と図３を参照して説明したフィードフォワード制御とを、効果的に組み合わせた強度制御器を開示している。しかし、この装置は、制御が、目標ゲインに基づいてではなく、目標強度出力Ｐｓｅｔに基づいてなされるため、ＡＧＣとして使用することはできない。

本発明は、広いゲイン条件についてゲイン遷移が正確にかつ速やかに制御される、可変ゲイン光増幅器を提供することを目的とする。

本発明によれば、
光ファイバ通信リンクにおける異なる波長の光信号を増幅する増幅手段であって、光ファイバを光ポンピングして光ゲインを提供するポンプ駆動部を有する増幅手段、
増幅手段への入力信号の強度Ｐｉｎを測定する入力強度検出手段、
増幅手段からの出力信号の強度Ｐｏｕｔを測定する出力強度検出手段、
ポンプ駆動部に駆動信号を提供して光ゲインを制御するゲイン制御手段、
測定された強度Ｐｉｎに基づくフィードフォワード信号をゲイン制御手段に提供するフィードフォワード手段、および
測定された強度Ｐｏｕｔに基づくフィードバック信号をゲイン制御手段に提供するフィードバック手段を有する可変ゲイン光増幅器であって、
フィードバック手段が、要求されるゲインプロフィルに対応する比例制御係数Ｋｐおよび積分制御係数Ｋｉに従って、要求されるゲイン設定点において光ゲインを制御する適応比例−積分制御器を有し、比例制御係数Ｋｐおよび積分制御係数Ｋｉの少なくとも一方が、測定された出力強度Ｐｏｕｔに従って動的に可変であり、
ゲイン制御手段が、フィードフォワード手段から提供されるフィードフォワード信号と、フィードバック手段から提供されるフィードバック信号とを組み合わせて、ポンプ駆動部への駆動信号を生成するように構成されてなることを特徴とする可変ゲイン光増幅器が提供される。

このような適応ＰＩ制御器は、ＶＧＡが置かれるゲイン条件に従って制御ループが自動的に制御されるのを可能にし、ＶＧＡは、したがって、光通信システムで使用されるＶＧＡおよびＥＤＦＡにおいて自動ゲイン制御を提供するように、特に良好に構成される。

好ましい実施形態においては、フィードバック手段は、測定された出力強度Ｐｏｕｔを可変ゲイン設定値に基づく設定出力強度値Ｐｓｅｔと比較して、フィードバック信号を測定された出力強度Ｐｏｕｔと設定出力強度値Ｐｓｅｔとの差に応じて変化させるように構成されてなる。

さらに、フィードフォワード手段は、好ましくは、増幅器に提供される可変目標ゲイン値Ｇｓｅｔに基づくフィードフォワード信号を提供するように構成される。この場合、フィードフォワード手段は、可変目標ゲイン値Ｇｓｅｔに基づいて選択されたルックアップテーブルまたは適当なアルゴリズムからのフィードフォワード信号を提供するように構成されてもよい。

さらに、フィードフォワード手段は、好ましくは、増幅器に提供される可変目標ＡＳＥ補償値Ｆａｓｅに基づくフィードフォワードし信号を提供するように構成される。この場合、フィードフォワード手段は、可変目標ＡＳＥ補償値Ｆａｓｅに基づいて選択されたルックアップテーブルまたは適当なアルゴリズムからのフィードフォワード信号を提供するように構成されてもよい。

さらに、フィードフォワード手段は、検出温度値Ｔに基づくフィードフォワード信号を提供するように構成されてもよい。

本発明の一実施形態において、フィードフォワード手段は、フィードフォワード信号のデジタルサンプリングレートを調節する可変フィルタ手段を含む。また、フィードバック手段が、フィードバック信号のデジタルサンプリングレートを調節する可変フィルタ手段を含んでもよい。フィルタ手段は、フィードフォワード信号の積極性を制御するために、および／または、エイリアシングを防止すべく、フィードバック信号に寄与する要素からのノイズを除去して、入力のサンプリングレートをフィードバック制御に一致させるために、使用することが可能である。

一実施形態において、フィードフォワード手段は、測定された入力強度Ｐｉｎの対数に基づくフィードフォワード信号を提供する対数増幅器を含む。これによって、単一の増幅器で対処することが可能なダイナミックレンジが大きく広がる。また、フィードバック手段は、測定された出力強度Ｐｏｕｔの対数に基づくフィードバック信号を提供する対数増幅器を含んでもよい。

通常、増幅手段は、少なくとも１つのエルビウム添加ファイバループ、および少なくとも１つのポンプレーザダイオードを含むであろうが、本発明は他の形態の光増幅器にも適用可能である。

本発明をより深く理解できるようにするために、例として、本発明に従う光増幅器の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

図１は、理想的な光増幅器の異なるポンプ強度についての、ゲインに対する入力および出力強度値の変動を示すグラフである。 光増幅器の既知のＡＧＣを示す図である。 光増幅器の他の既知のＡＧＣを示す図である。 本発明に従う光増幅器の好ましい実施形態のＡＧＣを示す図である。 本発明に従う光増幅器の他の好ましい実施形態のＡＧＣを示す図である。 本発明に従う光増幅器の他の好ましい実施形態のＡＧＣを示す図である。 本発明に従う光増幅器の他の好ましい実施形態のＡＧＣを示す図である。 本発明に従う光増幅器の他の好ましい実施形態のＡＧＣを示す図である。 本発明の好ましい実施形態で使用する好ましい制御アルゴリズムを示す図である。

以下に説明する本発明の各実施形態は、１以上のＥＤＦループを有するＥＤＦループ増幅器に適用される。各ＥＤＦループ１には、ＡＧＣによって制御されるレーザダイオード１４の形態のポンプ駆動部から、ポンプ光が供給される。必要な場合、各ＥＤＦのポンピングのために１以上のレーザダイオードを備えてもよく、ならびに／または、追加のループおよび関連するポンプレーザダイオードを備えてもよい。ポンプ段は、増幅器の入力強度Ｐｉｎおよび出力強度Ｐｏｕｔを測定する、フォトダイオードおよび関連するタップ−オフ結合器の形態をした、入力強度検出器２および出力強度検出器３からの電気検出信号の、ＡＧＣによる受信に応じて制御される。

図４の第１の実施形態について説明すると、図２のＡＧＣと同様に、出力強度検出器３からの出力信号はＡＤＣ４に与えられ、ＡＤＣ４は、測定強度出力信号を表す出力信号Ｐｍｅａｓを、比較器５の１つの入力に与える。目標強度出力を表す信号Ｐｓｅｔが、比較器５のもう１つの入力に与えられる。この信号は、加算器６において、増幅器におけるＡＳＥノイズの影響を補償するための補償因子を表すＡＳＥ補償器７からの信号Ｆａｓｅ、および、ゲイン設定器８からの目標ゲインを表す信号Ｇと、入力強度検出器２の出力に接続されたＡＤＣ１０によって与えられる信号Ｐｉｎとの積であり、乗算器９によって与えられる信号Ｇ．Ｐｉｎを、加算することによって計算されたものである。

比較器５に与えられる２つの入力信号の差であるエラー信号ｅ（ｔ）が、適応ＰＩ調整器３０に与えられ、適応ＰＩ調整器３０は、エラー信号ｅ（ｔ）ならびに目標ゲインプロフィルに対応する比例制御係数Ｋｐおよび積分制御係数Ｋｉの関数であるフィードバック信号ＦＢを提供する。制御係数ＫｐおよびＫｉの少なくとも一方は、測定された出力強度Ｐｏｕｔに依存して動的に変わり得る。本発明の好ましい本実施形態は、能力（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）がゲインに依存するという問題を、ゲイン設定に基づいて制御ループの係数を変化させることによって、克服する。これにより、求められるゲイン設定に関わらずに、求められる応答時間を達成することが可能になる。

フィードバック信号ＦＢは、加算器３１の１つの入力に与えられ、加算器３１の出力は、電流制限器１２を介して、ポンプ駆動部１４に接続される。適応ＰＩ調整器３０は、増幅器が置かれているゲイン条件に基づいて、制御ループを変更する。

さらに、図３のＡＧＣと同様に、入力強度検出器２からの出力信号はＡＤＣ１０に接続される。ＡＤＣ１０からの出力信号Ｐｉｎは、乗算器２０の１つの入力に与えられ、乗算器２０のもう１つの入力には、ゲイン設定器２１からの目標ゲイン信号ｍが与えられる。乗算器２０からの出力信号は、加算器２２の１つの入力に与えられ、加算器２２のもう１つの入力には、オフセット設定器２３からの一定のオフセット信号ｃが与えられる。これによって、加算器３１のもう１つの入力に与えられるフィードフォワード信号ＦＦ＝ｍ．Ｐｉｎ＋ｃが提供されて、ポンプ電流を制御するための加算器３１からの出力信号は、フィードバック信号ＦＢとフィードフォワード信号ＦＦとの和になる。本発明に従うこのようなＡＧＣは、ＶＧＡにおいて、フィードフォワード信号ＦＦによって提供される速やかな応答時間と、フィードバック信号ＦＢによって提供される高い制御精度とを組み合わせるものとなり、広いゲイン条件についてゲイン遷移が正確に制御されるようになる。

図５の実施形態について説明すると、これは概して図４の実施形態に類似しているが、次の２つの追加の特徴を有する：（ｉ）ゲイン設定器２１がゲイン設定器８に連結されて、乗算器２０の１つの入力に与えられる目標ゲイン信号ｍが目標ゲインに依存するようになり、（ｉｉ）オフセット設定器２３がＡＳＥ補償器７に連結されて、加算器２２の１つの入力に与えられる一定のオフセット信号ｃが、増幅器におけるＡＳＥノイズの影響を補償するための、それ自体（較正処理の結果として）目標ゲインに依存する、設定された補償因子に依存するようになっている。これにより、フィードフォワード信号ＦＦ＝ｍ．Ｐｉｎ＋ｃが目標ゲインの変動に対して補償されることが、確実になる。

図６の実施形態について説明すると、これは概して図５の実施形態に類似しているが、ＡＧＣがデジタル領域に含まれており、フィードフォワード信号ＦＦのゲイン補償が、目標ゲインＧｓｅｔ、ＡＳＥ補償因子Ｆａｓｅおよび温度Ｔに基づいてフィードフォワード信号ＦＦに適切なルックアップ値を供給するための、ルックアップテーブル４０によって行われる点で相違している。この実施形態では、複数ポンプ解法への適応が可能であり、温度変動が考慮されて、不所望のゲインおよび遷移制御エラーが避けられる結果になる。

図７の実施形態について説明すると、これは概して図６の実施形態に類似しているが、フィードフォワード信号ＦＦおよび／またはフィードバック信号ＦＢのさらなる制御を行う１以上のデジタルフィルタが、制御回路内に備えられている点で相違している。たとえば、デジタルフィルタ４１は、プログラムされた設定に基づいてハイパスフィルタ、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタとして機能して、フィードフォワード信号ＦＦからノイズを除去し、フィードフォワード信号ＦＦの特性が要求される用途に応じて変わり得るようにするために備えることができる。このようなフィルタは、フィードフォワード信号の積極性を制御して、例えば、応答時間を遅くするために、使用することが可能である。さらに、デジタルフィルタ４２およびデジタルフィルタ４３は、入力フィードフォワード信号ＦＦのサンプリングレートをフィードバック信号ＦＢのサンプリングレートに一致させるために、備えることができる。これらのフィルタがなければ、信号エイリアシングが発生するであろう。これらのフィルタは、次の２つの利益をもたらして、速やかなゲイン制御という目的を支援する：
１）フィードフォワードループがフィードバックループよりも、遥かに速やかにサンプリングされ得る。
２）トランスインピーダンス増幅器に基づく解法の場合、範囲変化の後、フィルタレジスタが直ちにポストスイッチ読出しに設定され得、これによって、フィルタを範囲変化の後に安定化させる必要がなくなる。

図８の実施形態について説明すると、これは概して図７の実施形態に類似しているが、入力強度検出器２が対数増幅器５０を含んでいる点で相違しており、この場合、乗算器９への接続に対数−線形変換器５１が必要になる。これによって、単一の増幅器で対処することが可能なダイナミックレンジが大きく広がる。随意で、出力強度検出器３は対数増幅器５２を含む。この場合、ＡＤＣ４の出力に対数−線形変換器５３が必要になる。ただし、それに代えて、出力強度検出器３が線形トランスインピーダンス系を含むようにすることも可能である。

図９に、連続時間領域および離散／デジタル時間領域の双方における、好ましい制御アルゴリズムを示す。ポンプ駆動応答Ｐｄ（ｔ）がフィードフォワード信号ＦＦ（ｔ）とＰＩまたはＰＩＤ調整器出力ＦＢ（ｔ）との和から導かれる、最も簡単な形態での制御式を示している。このＦＦ（ｔ）信号は、前述の式ＦＦ＝ｍ．Ｐｉｎ＋ｃから導かれる。調整器出力ＦＢ（ｔ）は、標準的制御理論に従う入力エラー信号ｅ（ｔ）に基づく比例、積分および微分応答を表す２つまたは３つの項の和から導かれる。制御係数の少なくとも１つは測定出力強度Ｐｍｅａｓに依存させる。エラー信号は、測定出力条件Ｐｍｅａｓと設定点条件Ｐｓｅｔとの比較から導かれ、Ｐｓｅｔは、信号ゲイン制御を提供するために、求められるゲイン設定点と測定入力強度との積へのＡＳＥ補償因子の加算から導かれる。

Claims (15)

1. 光ファイバ通信リンクにおける異なる波長の光信号を増幅する増幅手段であって、光ファイバを光ポンピングして光ゲインを提供するポンプ駆動部を有する増幅手段、
   増幅手段への入力信号の強度Ｐｉｎを測定する入力強度検出手段、
   増幅手段からの出力信号の強度Ｐｏｕｔを測定する出力強度検出手段、
   ポンプ駆動部に駆動信号を提供して光ゲインを制御するゲイン制御手段、
   測定された強度Ｐｉｎに基づくフィードフォワード信号をゲイン制御手段に提供するフィードフォワード手段、および
   測定された強度Ｐｏｕｔに基づくフィードバック信号をゲイン制御手段に提供するフィードバック手段を有する可変ゲイン光増幅器であって、
   フィードバック手段が、要求されるゲインプロフィルに対応する比例制御係数Ｋｐおよび積分制御係数Ｋｉに従って、要求されるゲイン設定点において光ゲインを制御する適応比例−積分制御器を有し、比例制御係数Ｋｐおよび積分制御係数Ｋｉの少なくとも一方が、測定された出力強度Ｐｏｕｔに従って動的に可変であり、
   ゲイン制御手段が、フィードフォワード手段から提供されるフィードフォワード信号と、フィードバック手段から提供されるフィードバック信号とを組み合わせて、ポンプ駆動部への駆動信号を生成するように構成されてなることを特徴とする可変ゲイン光増幅器。
2. ゲイン制御手段が、ポンプ駆動部への駆動信号としてフィードフォワード信号とフィードバック信号との和を提供する加算器を含むことを特徴とする請求項１記載の可変ゲイン光増幅器。
3. フィードバック手段が、測定された出力強度Ｐｏｕｔを可変ゲイン設定値に基づく設定出力強度値Ｐｓｅｔと比較して、フィードバック信号を測定された出力強度Ｐｏｕｔと設定出力強度値Ｐｓｅｔとの差に応じて変化させるように構成されてなることを特徴とする請求項１または２記載の可変ゲイン光増幅器。
4. フィードフォワード手段が、増幅器に提供される可変目標ゲイン値Ｇｓｅｔに基づくフィードフォワード信号を提供するように構成されてなることを特徴とする請求項１，２または３記載の可変ゲイン光増幅器。
5. フィードフォワード手段が、可変目標ゲイン値Ｇｓｅｔに基づいて選択されたルックアップテーブルまたは適当なアルゴリズムからのフィードフォワード信号を提供するように構成されてなることを特徴とする請求項４記載の可変ゲイン光増幅器。
6. フィードフォワード手段が、増幅器に提供される可変目標ＡＳＥ補償値Ｆａｓｅに基づくフィードフォワード信号を提供するように構成されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。
7. フィードフォワード手段が、ルックアップテーブルからの、または可変目標ＡＳＥ補償値Ｆａｓｅに基づいて選択された適当なアルゴリズムからのフィードフォワード信号を提供するように構成されてなることを特徴とする請求項６記載の可変ゲイン光増幅器。
8. フィードフォワード手段が、検出温度値Ｔに基づくフィードフォワード信号を提供するように構成されてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。
9. フィードフォワード手段が、フィードフォワード信号のデジタルサンプリングレートを調節する可変フィルタ手段を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。
10. フィードバック手段が、フィードバック信号のデジタルサンプリングレートを調節する可変フィルタ手段を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。
11. フィードフォワード手段が、測定された入力強度Ｐｉｎの対数に基づくフィードフォワード信号を提供する対数増幅器を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。
12. フィードバック手段が、測定された出力強度Ｐｏｕｔの対数に基づくフィードバック信号を提供する対数増幅器を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。
13. 検出手段または各検出手段が、光信号の一部をタップオフするタップ−オフ結合器を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。
14. 増幅手段が、少なくとも１つのエルビウム添加ファイバループを含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。
15. 増幅手段が、少なくとも１つのポンプレーザダイオードを含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の可変ゲイン光増幅器。

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