JP6172151B2 - 光増幅器の励起用光源およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光増幅器の励起用光源およびその制御方法に関し、特に、長期信頼性が要求される光増幅器の励起用光源およびその制御方法に関する。

光通信システムにおいては、光ファイバ中を伝播して減衰した光信号を増幅するために光増幅器が用いられる。このような光増幅器は、例えば光海底ケーブルシステムにおいては海底に設置された光中継器等で使用されるため、長期間にわたる高信頼性が要求される。

光通信システムでは光増幅器として、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素を光ファイバに添加し励起用光源によって励起する光ファイバ型の光増幅器が広く用いられている。この場合、光増幅器の長期信頼性を確保するためには、励起用光源に対しても長期間にわたる高信頼性が要求される。

このような励起用光源を用いた光増幅器の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された関連する光増幅器は、駆動回路４ａにより駆動される励起光源５ａ、駆動回路４ｂにより別途駆動される励起光源５ｂ、光電気変換器１１ａ、光電気変換器１１ｂ、電圧合成器１２、比較器１３、および基準電圧発生器９を有する。ここで、光電気変換器１１ａは、励起光源５ａにより発生された励起光の一部を光電気変換し、光電気変換器１１ｂは、励起光源５ｂにより発生された励起光の一部を光電気変換する。電圧合成器１２は、光電気変換器１１ａ、１１ｂにより光電気変換された電圧信号を合成する。比較器１３は、電圧合成器１２から出力された電圧信号と基準電圧発生器９からの基準電圧とを比較し、その電圧信号が基準電圧一定となるような可変制御信号を駆動回路４ｂに出力する。

ここで、励起光源５ａはその励起光出力にかかわらず、一定の駆動電流で駆動される。この励起光源５ａが劣化してその励起光出力が低下すると、光合波された合波光が低下し、その結果、電圧合成器１２からの電圧信号が低下する。すると、駆動回路４ｂは、電圧信号が予め設定された一定値になるまで励起光源５ｂの励起光出力を上げる。このようにして、励起光源５ａが劣化しても希土類添加光ファイバ１に供給される励起光は一定に保たれ、安定した光増幅特性が得られる、としている。

また、特許文献２には、複数の励起光源、出力レベル検出手段、出力レベル制御手段、励起光レベル検出手段、励起光レベル制御手段、および光合波手段を有する光増幅器が記載されている。ここで、出力レベル検出手段は、光増幅器の出力光信号のレベルを検出する。出力レベル制御手段は、検出された出力光レベル信号に基づいて出力光レベルが安定化するように複数の励起光源のうちの一励起光源を制御する。励起光レベル検出手段は、一励起光源以外の励起光源が出力する励起光のレベルをそれぞれ検出する。励起光レベル制御手段は、検出された各励起光レベル信号に基づいて各励起光レベルが安定化するように各励起光源を制御する。光合波手段は、全ての励起光源が出力する励起光を合波して光増幅するための励起光を生成する。

このような構成とすることにより、特許文献２に記載された関連する光増幅器によれば、励起光源を複数有していても、簡単な構成で出力レベル制御を実現できる、としている。

特開２００６−１２８３８２号公報（段落「００１５」〜「００１９」、図２） 特開平７−２５３６０２号公報（段落「０００８」〜「００２０」、図１）

上述したように、関連する光増幅器においては、光増幅器の信頼性を高めるために、複数の励起光源を用いた冗長構成を採用している。しかしながら、複数の励起光源を個別に制御することとしているので、冗長度を高めると、励起光源の構成が複雑になるという問題があった。

このように、関連する光増幅器においては、光増幅器の信頼性を高めると励起光源の構成が複雑になる、という問題があった。

本発明の目的は、上述した課題である、関連する光増幅器においては、光増幅器の信頼性を高めると励起光源の構成が複雑になる、という課題を解決する光増幅器の励起用光源およびその制御方法を提供することにある。

本発明の光増幅器の励起用光源は、直列に接続された複数の発光部と、複数の発光部を流れる駆動電流を制御する電流制御部と、電流制御部を制御する制御部、とを有し、発光部は光出力モニタ部をそれぞれ備え、制御部は、光出力モニタ部の各出力に基づいて電流制御部を制御する。

また、本発明の光増幅器の励起用光源は、第１の光出力モニタ部をそれぞれ備えた複数の第１の発光部と第１の電流制御部が直列に接続された第１の光源部と、第２の光出力モニタ部をそれぞれ備えた複数の第２の発光部と第２の電流制御部が直列に接続された第２の光源部と、第１の光出力モニタ部の出力と第２の光出力モニタ部の出力に基づいて、第１の電流制御部と第２の電流制御部を制御する制御部、とを有し、第１の光源部と第２の光源部は並列に接続され、第１の電流制御部は、第１の発光部を流れる第１の駆動電流を制御し、第２の電流制御部は、第２の発光部を流れる第２の駆動電流を制御する。

本発明の光増幅器の励起用光源の制御方法は、複数の発光部に直列に駆動電流を供給し、複数の発光部の光出力の一部をそれぞれ検知し、検知した結果に基づいて、駆動電流を制御する。

また、本発明の光増幅器の励起用光源の制御方法は、複数の第１の発光部に直列に第１の駆動電流を供給し、複数の第２の発光部に直列に第２の駆動電流を供給し、複数の第１の発光部の光出力の一部をそれぞれ検知して第１の光電流を取得し、複数の第２の発光部の光出力の一部をそれぞれ検知して第２の光電流を取得し、第１の光電流と第２の光電流の総和が一定となるように、第１の駆動電流と第２の駆動電流を制御する。

本発明の光増幅器の励起用光源およびその制御方法によれば、光増幅器の高信頼性を実現する簡易な構成の光増幅器の励起用光源が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る光増幅器の励起用光源の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光増幅器の励起用光源の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る光増幅器の励起用光源の制御部の動作を説明するための図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光増幅器の励起用光源１００の構成を示すブロック図である。光増幅器の励起用光源１００は、直列に接続された複数の発光部１１０、これらの複数の発光部１１０を流れる駆動電流を制御する電流制御部１２０、および電流制御部１２０を制御する制御部１３０を有する。ここで、発光部１１０は光出力モニタ部をそれぞれ備える。制御部１３０は、光出力モニタ部の各出力に基づいて電流制御部１２０を制御する。図１では、光増幅器の励起用光源１００が２個の発光部１１１、１１２を備えた場合について示したが、これに限らず、３個以上の発光部が直列に接続された構成としてもよい。この場合でも電流制御部１２０は１個だけ備えればよい。

ここで、発光部１１０は半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）を備え、光出力モニタ部はフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）を備えた構成とすることができる。フォトダイオードは半導体レーザの光出力に応じた光電流ＰＣ１、ＰＣ２をそれぞれ制御部１３０に出力する。そして制御部１３０は、光電流ＰＣ１とＰＣ２の総和が一定となるように、駆動電流の値である駆動電流設定値を決定し、駆動電流がこの駆動電流設定値と略同一となるように電流制御部１２０を制御する構成とすることができる。

このように、本実施形態による光増幅器の励起用光源１００は、発光部として複数の典型的には半導体レーザ（ＬＤ）を直列に接続した構成である（例えば、図1に示す場合は２個）。ここで、各半導体レーザの発光効率（電気−光変換効率）は略等しいことが望ましい。そして、半導体レーザの後方光出力モニタ用として半導体レーザに内蔵したフォトダイオード（ＰＤ）の電流の総和が一定となるように、複数の半導体レーザに流れる電流を制御する。これにより、個々の半導体レーザに何らかの障害が発生した場合であっても、光増幅器の励起用光源１００の光出力の総和を一定に保つことができる。その結果、光増幅器の出力も長期間にわたり一定に維持することが可能となる。

次に、本実施形態による光増幅器の励起用光源の制御方法について説明する。本実施形態による光増幅器の励起用光源の制御方法においては、まず、複数の発光部に直列に駆動電流を供給する。そして、これらの複数の発光部の光出力の一部をそれぞれ検知し、検知した結果に基づいて、発光部の駆動電流を制御する。ここで、複数の発光部の光出力の一部を検知して光電流をそれぞれ取得し、このときの光電流の総和が一定となるように駆動電流を制御する構成とすることができる。

上述したように本実施形態によれば、複数の発光部１１０を有する冗長構成とした場合であっても、１個の電流制御部を備えた構成とすることができる。そのため、本実施形態によれば、光増幅器の高信頼性を実現する簡易な構成の光増幅器の励起用光源１００が得られる。

また一般に、光増幅器の安定な出力を長期間にわたって維持するためには、励起用光源の光出力も長期間にわたって安定に保つことが必要である。しかし、励起用光源の発光部に用いられる半導体レーザ等は光学部品であるため、部品固有の障害モードにより、その光出力が低下する可能性がある。しかしながら本実施形態の光増幅器の励起用光源によれば、複数の半導体レーザの一部で光出力の低下が発生した場合であっても、励起用光源としての励起光出力を長期間にわたって確保することが可能である。そのため、光増幅器の出力を長期間にわたって維持することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係る光増幅器の励起用光源２０００の構成を示すブロック図である。光増幅器の励起用光源２０００は、第１の光源部２１００、第１の光源部２１００と並列に接続された第２の光源部２２００、および制御部２３００を有する。

第１の光源部２１００は、第１の光出力モニタ部をそれぞれ備えた複数の第１の発光部２１１０と第１の電流制御部２１２０が直列に接続された構成である。また、第２の光源部２２００は、第２の光出力モニタ部をそれぞれ備えた複数の第２の発光部２２１０と第２の電流制御部２２２０が直列に接続された構成である。ここで、第１の電流制御部２１２０は第１の発光部２１１０を流れる第１の駆動電流Ｉ１を制御し、第２の電流制御部２２２０は第２の発光部２２１０を流れる第２の駆動電流Ｉ２を制御する。

制御部２３００は、第１の光出力モニタ部の出力と第２の光出力モニタ部の出力に基づいて、第１の電流制御部２１２０と第２の電流制御部２２２０を制御する。

図２では、第１の光源部２１００および第２の光源部２２００は、それぞれ２個の第１の発光部２１１１、２１１２および第２の発光部２２１１、２２１２を備えた場合について示す。しかし、これに限らず、それぞれ３個以上の発光部が直列に接続された構成としてもよい。この場合であっても、第１の光源部２１００および第２の光源部２２００には、第１の電流制御部２１２０および第２の電流制御部２２２０をそれぞれ一個ずつ備えればよい。

このような構成としたことにより、本実施形態の光増幅器の励起用光源２０００によれば、発光部の個数に比べて電流制御部の個数を削減することができるので、光増幅器の高信頼性を実現する簡易な構成の光増幅器の励起用光源が得られる。さらに、第１の光源部２１００と第２の光源部２２００が並列に接続された構成としているので、いずれかの発光部が故障して、一方の光源部の回路が切断状態となった場合であっても、他方の光源部により光出力を維持することができる。そのため本実施形態の光増幅器の励起用光源２０００によれば、光増幅器のさらなる高信頼性を実現することができる。

ここで、第１の発光部２１１０および第２の発光部２２１０はそれぞれ半導体レーザ（図２中のＬＤ１、ＬＤ２、ＬＤ３、ＬＤ４）を備えた構成とすることができる。ここで、各半導体レーザの発光効率（電気−光変換効率）は略等しいことが望ましい。また、第１の光出力モニタ部および第２の光出力モニタ部はそれぞれフォトダイオードを備えた構成とすることができる。これらのフォトダイオードは半導体レーザの光出力に応じた光電流（ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３、ＰＣ４）をそれぞれ出力する。そして制御部２３００は光電流の総和（ＰＣ１＋ＰＣ２＋ＰＣ３＋ＰＣ４）が一定となるように、第１の電流制御部２１２０と第２の電流制御部２２２０を制御する構成とすることができる。

次に、制御部２３００の構成について、さらに詳細に説明する。制御部２３００は、第１の駆動電流制御部２３１０、第２の駆動電流制御部２３２０、および駆動電流設定部２３３０を備えた構成とすることができる。

ここで、駆動電流設定部２３３０は、光電流の総和（ＰＣ１＋ＰＣ２＋ＰＣ３＋ＰＣ４）が一定となるように、第１の駆動電流の値である第１の駆動電流設定値と、第２の駆動電流の値である第２の駆動電流設定値を決定する。

そして、第１の駆動電流制御部２３１０は、第１の駆動電流Ｉ１が第１の駆動電流設定値と略同一となるように第１の電流制御部２１２０を制御する。また、第２の駆動電流制御部２３２０は、第２の駆動電流Ｉ２が第２の駆動電流設定値と略同一となるように第２の電流制御部２２２０を制御する。

このような構成とすることにより、複数の半導体レーザ（ＬＤ）の一部で光出力の低下が発生した場合であっても、各半導体レーザ（ＬＤ）の光出力に応じた光電流の総和（ＰＣ１＋ＰＣ２＋ＰＣ３＋ＰＣ４）は一定に保たれる。そのため、このような場合であっても、励起用光源としての励起光出力を一定に保持することが可能である。その結果、光増幅器の出力を長期間にわたって維持することができる。

次に、本実施形態による光増幅器の励起用光源２０００の動作について説明する。駆動電流設定部２３３０は、各半導体レーザの光出力モニタ部としてのフォトダイオードから、各半導体レーザの光出力に応じた光電流（ＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３、ＰＣ４）を取得する。そして、この光電流に基づいて各半導体レーザの動作状態が正常動作であるか故障動作であるかを判別する。

その結果、故障動作状態にある半導体レーザが存在すると判断した場合、駆動電流設定部２３３０は上述した第１の駆動電流設定値および第２の駆動電流設定値の少なくとも一方を増大する。このとき、第１の駆動電流制御部２３１０（または第２の駆動電流制御部２３２０）は、第１の駆動電流Ｉ１（または第２の駆動電流Ｉ２）が、増大した後の駆動電流設定値と略同一となるように第１の電流制御部２１２０（または第２の電流制御部２２２０）を制御する。

これにより、複数の半導体レーザ（ＬＤ）の一部が故障状態となり、光出力が低下した場合であっても、各半導体レーザ（ＬＤ）の光出力に応じた光電流の総和（ＰＣ１＋ＰＣ２＋ＰＣ３＋ＰＣ４）を一定に保つことができる。その結果、励起用光源としての励起光出力を一定に保持することが可能となる。

続いて、本実施形態による光増幅器の励起用光源２０００の動作について、図３を用いて具体的に説明する。

図３は、発光部としての半導体レーザ（ＬＤ）の故障時における制御論理の一例を示す図であり、４個の半導体レーザ（ＬＤ）を使用した場合について示す。図３の縦の行は、故障動作状態にある半導体レーザの個数（ｐ）による分類である。また、横の各列は各半導体レーザ（ＬＤ）の光出力、具体的には各フォトダイオードの光電流（ＰＣ）毎の分類、および各半導体レーザ（ＬＤ）の駆動電流Ｉ１、Ｉ２を示す。同図中、記号「○」は半導体レーザの動作状態が正常動作である場合を、記号「×」は半導体レーザの動作状態が故障動作である場合をそれぞれ示す。

制御部２３００は、それぞれの半導体レーザ（ＬＤ）の動作状態に応じた論理演算に基づいて、各半導体レーザ（ＬＤ）に流れる駆動電流（Ｉ１およびＩ２）を制御する。これにより、各半導体レーザの光出力の総和である励起光出力が一定となるようにフィードバック制御を行う。

４個の半導体レーザがいずれも正常動作している場合（図３の１行目）、駆動電流Ｉ１およびＩ２をそれぞれ「Ｉ」とすると、各半導体レーザの光出力の総和である励起光出力は「４Ｉ」に比例する値となる。

４個の半導体レーザのうち、例えば、半導体レーザＬＤ４（ＰＣ４）のみが故障した場合（図３中の２行目）、半導体レーザＬＤ１とＬＤ２に流れる駆動電流Ｉ１、および半導体レーザＬＤ３とＬＤ４に流れる駆動電流Ｉ２をそれぞれ４／３倍にする。このとき、半導体レーザＬＤ４からの光出力は得られないが、半導体レーザＬＤ１とＬＤ２、およびＬＤ３からは「（４／３）Ｉ」に比例する光出力がそれぞれ得られる。したがって、各半導体レーザの光出力の総和である励起光出力としては、「４Ｉ」に比例する値が得られる。すなわち、３個の半導体レーザで４個の半導体レーザを用いたときと同じ励起光出力を確保することが可能となる。

なお、上述の説明では、４個の半導体レーザを同時に使用することとしたが、これに限らず、初期動作時は４個の半導体レーザのうち２個だけを使用し、残りの２個の半導体レーザは非動作とし、予備系として用いることとしてもよい。例えば、半導体レーザＬＤ１が故障した場合には、半導体レーザＬＤ１およびＬＤ２を流れる駆動電流Ｉ１をゼロとし、半導体レーザＬＤ３およびＬＤ４に流れる駆動電流Ｉ２を定格動作させることができる。この場合にも、励起光出力を一定とすることができるので、光増幅器の出力を常に確保することが可能となる。

次に、本実施形態による光増幅器の励起用光源の制御方法について説明する。本実施形態による光増幅器の励起用光源の制御方法においては、まず、複数の第１の発光部に直列に第１の駆動電流を供給し、複数の第２の発光部に直列に第２の駆動電流を供給する。このとき、複数の第１の発光部の光出力の一部をそれぞれ検知して第１の光電流を取得し、複数の第２の発光部の光出力の一部をそれぞれ検知して第２の光電流を取得する。そして、第１の光電流と第２の光電流の総和が一定となるように、第１の駆動電流と第２の駆動電流を制御する。

また、第１の光電流と第２の光電流に基づいて、第１の発光部および第２の発光部のそれぞれの動作状態が正常動作であるか故障動作であるかを判別する。そして、故障動作が含まれると判断した場合は、第１の駆動電流および第２の駆動電流の少なくとも一方を増大させることとしてもよい。

上述したように本実施形態によれば、複数の発光部を備えた光源部を並列に複数個接続した冗長構成とした場合であっても、光源部ごとに１個の電流制御部を備えた構成とすることができる。そのため、本実施形態によれば、光増幅器の高信頼性を実現する簡易な構成の光増幅器の励起用光源が得られる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

この出願は、２０１２年８月２８日に出願された日本出願特願２０１２−１８７５９０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００、２０００ 光増幅器の励起用光源
１１０ 発光部
１２０ 電流制御部
１３０ 制御部
２１００ 第１の光源部
２１１０ 第１の発光部
２１２０ 第１の電流制御部
２２００ 第２の光源部
２２１０ 第２の発光部
２２２０ 第２の電流制御部
２３００ 制御部
２３１０ 第１の駆動電流制御部
２３２０ 第２の駆動電流制御部
２３３０ 駆動電流設定部

Claims (10)

1. 直列に接続された複数の発光手段と、
   前記複数の発光手段を直列に流れる駆動電流を制御する電流制御手段と、
   前記電流制御手段を制御する制御手段、とを有し、
   前記発光手段は光出力モニタ手段をそれぞれ備え、
   前記制御手段は、前記光出力モニタ手段の各出力に基づいて前記電流制御手段を制御する
   光増幅器の励起用光源。
2. 請求項１に記載した光増幅器の励起用光源において、
   前記発光手段は半導体レーザを備え、
   前記光出力モニタ手段はフォトダイオードを備え、
   前記フォトダイオードは前記半導体レーザの光出力に応じた光電流をそれぞれ出力し、
   前記制御手段は、前記光電流の総和が一定となるように、前記駆動電流の値である駆動電流設定値を決定し、前記駆動電流が前記駆動電流設定値と略同一となるように前記電流制御手段を制御する
   光増幅器の励起用光源。
3. 第１の光出力モニタ手段をそれぞれ備えた複数の第１の発光手段と第１の電流制御手段が直列に接続された第１の光源手段と、
   第２の光出力モニタ手段をそれぞれ備えた複数の第２の発光手段と第２の電流制御手段が直列に接続された第２の光源手段と、
   前記第１の光出力モニタ手段の出力と前記第２の光出力モニタ手段の出力に基づいて、前記第１の電流制御手段と前記第２の電流制御手段を制御する制御手段、とを有し、
   前記第１の光源手段と前記第２の光源手段は並列に接続され、
   前記第１の電流制御手段は、前記複数の第１の発光手段を直列に流れる第１の駆動電流を制御し、
   前記第２の電流制御手段は、前記複数の第２の発光手段を直列に流れる第２の駆動電流を制御する
   光増幅器の励起用光源。
4. 請求項３に記載した光増幅器の励起用光源において、
   前記第１の発光手段および第２の発光手段はそれぞれ半導体レーザを備え、
   前記第１の光出力モニタ手段および前記第２の光出力モニタ手段はそれぞれフォトダイオードを備え、前記フォトダイオードは前記半導体レーザの光出力に応じた光電流をそれぞれ出力し、
   前記制御手段は、前記光電流の総和が一定となるように、前記第１の電流制御手段と前記第２の電流制御手段を制御する
   光増幅器の励起用光源。
5. 請求項４に記載した光増幅器の励起用光源において、
   前記制御手段は、駆動電流設定手段と、第１の駆動電流制御手段と、第２の駆動電流制御手段とを備え、
   前記駆動電流設定手段は、前記光電流の総和が一定となるように、前記第１の駆動電流の値である第１の駆動電流設定値と、前記第２の駆動電流の値である第２の駆動電流設定値を決定し、
   前記第１の駆動電流制御手段は、前記第１の駆動電流が前記第１の駆動電流設定値と略同一となるように前記第１の電流制御手段を制御し、
   前記第２の駆動電流制御手段は、前記第２の駆動電流が前記第２の駆動電流設定値と略同一となるように前記第２の電流制御手段を制御する
   光増幅器の励起用光源。
6. 請求項５に記載した光増幅器の励起用光源において、
   前記駆動電流設定手段は、前記光電流に基づいて各半導体レーザの動作状態が正常動作であるか故障動作であるかを判別し、
   故障動作状態にある半導体レーザが存在すると判断した場合は、前記第１の駆動電流設定値および前記第２の駆動電流設定値の少なくとも一方を増大する
   光増幅器の励起用光源。
7. 複数の発光手段に、前記複数の発光手段を直列に流れる駆動電流を供給し、
   前記複数の発光手段の光出力の一部をそれぞれ検知し、
   前記検知した結果に基づいて、前記駆動電流を制御する
   光増幅器の励起用光源の制御方法。
8. 請求項７に記載した光増幅器の励起用光源の制御方法において、
   前記複数の発光手段の光出力の一部を検知して光電流をそれぞれ取得し、
   前記光電流の総和が一定となるように前記駆動電流を制御する
   光増幅器の励起用光源の制御方法。
9. 複数の第１の発光手段に、前記複数の第１の発光手段を直列に流れる第１の駆動電流を供給し、
   複数の第２の発光手段に、前記複数の第２の発光手段を直列に流れる第２の駆動電流を供給し、
   前記複数の第１の発光手段の光出力の一部をそれぞれ検知して第１の光電流を取得し、
   前記複数の第２の発光手段の光出力の一部をそれぞれ検知して第２の光電流を取得し、
   前記第１の光電流と前記第２の光電流の総和が一定となるように、前記第１の駆動電流と前記第２の駆動電流を制御する
   光増幅器の励起用光源の制御方法。
10. 請求項９に記載した光増幅器の励起用光源の制御方法において、
    前記第１の光電流と前記第２の光電流に基づいて、前記第１の発光手段および前記第２の発光手段のそれぞれの動作状態が正常動作であるか故障動作であるかを判別し、
    故障動作が含まれると判断した場合は、前記第１の駆動電流および前記第２の駆動電流の少なくとも一方を増大させる
    光増幅器の励起用光源の制御方法。

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