JPH03188423A - 光方向性結合器及びその製造方法 - Google Patents
光方向性結合器及びその製造方法Info
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- JPH03188423A JPH03188423A JP32882289A JP32882289A JPH03188423A JP H03188423 A JPH03188423 A JP H03188423A JP 32882289 A JP32882289 A JP 32882289A JP 32882289 A JP32882289 A JP 32882289A JP H03188423 A JPH03188423 A JP H03188423A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
- G02F1/31—Digital deflection, i.e. optical switching
- G02F1/313—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure
- G02F1/3132—Digital deflection, i.e. optical switching in an optical waveguide structure of directional coupler type
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は光通信、光情報処理等において、光波を制御す
る光回路に関し、特に、基板上に形成された光導波路を
用いた光回路素子の1つである光方向性結合器に関する
。
る光回路に関し、特に、基板上に形成された光導波路を
用いた光回路素子の1つである光方向性結合器に関する
。
光通信システムの大容量化やネットワーク化、さらには
適用領域の拡大に伴って、光伝送路網の切換え、光波の
多重や分岐等様々な新しい機能の導入が要求されつつあ
る。このような光波の制御を行なう手段としては、基板
上に設置した光導波路により様々な光回路素子を構成し
、それを薬種して機能デバイスを構成する方法が有力と
なっている。特にニオブ酸リチウム(LiNbOs)結
晶を用いた光導波路デバイスは、低損失であり、かつ大
きな電気光学効果を有し、比較的製作も容易である等の
優れた特長を持っており、光変調器、マトリクス光スィ
ッチ、波長フィルター等様々なデバイスが報告されてい
る。
適用領域の拡大に伴って、光伝送路網の切換え、光波の
多重や分岐等様々な新しい機能の導入が要求されつつあ
る。このような光波の制御を行なう手段としては、基板
上に設置した光導波路により様々な光回路素子を構成し
、それを薬種して機能デバイスを構成する方法が有力と
なっている。特にニオブ酸リチウム(LiNbOs)結
晶を用いた光導波路デバイスは、低損失であり、かつ大
きな電気光学効果を有し、比較的製作も容易である等の
優れた特長を持っており、光変調器、マトリクス光スィ
ッチ、波長フィルター等様々なデバイスが報告されてい
る。
上述のような機能デバイスを実現する上で光方向性結合
器は特に重要な基本素子であり、低損失の分岐回路や光
スィッチ、光変調器の構成エレメントとして用いられる
。
器は特に重要な基本素子であり、低損失の分岐回路や光
スィッチ、光変調器の構成エレメントとして用いられる
。
一般に上述の光機能デバイスは、光伝送路中に挿入され
、光フアイバ中を伝搬した光信号を制御する目的で使用
される場合が多い、高速、大容量の光通信システムでは
光ファイバとして単一モード光ファイバが使用され、光
源には半導体レーザが使われる。半導体レーザは直線偏
光を出射するが、単一モード光ファイバ中を伝搬した光
波は一般にだ円偏光となり、また、その偏光状態も時間
的に変動する。一方、前述のL i N b O3結晶
上に形成された光方向性結盟は、通常の構成では、入射
する偏光によって特性が大きく異なってしまい、それを
基本エレメントとして構成される光スィッチや分岐回路
も大きな偏光依存性を生じてしまう、この原因は主にL
iNbO3結晶にTiを拡散した場合に生ずる異常光に
対する屈折率増加量Δn0と常光に対する屈折率増加量
Δn、)が通常大きく異なることに起因している。
、光フアイバ中を伝搬した光信号を制御する目的で使用
される場合が多い、高速、大容量の光通信システムでは
光ファイバとして単一モード光ファイバが使用され、光
源には半導体レーザが使われる。半導体レーザは直線偏
光を出射するが、単一モード光ファイバ中を伝搬した光
波は一般にだ円偏光となり、また、その偏光状態も時間
的に変動する。一方、前述のL i N b O3結晶
上に形成された光方向性結盟は、通常の構成では、入射
する偏光によって特性が大きく異なってしまい、それを
基本エレメントとして構成される光スィッチや分岐回路
も大きな偏光依存性を生じてしまう、この原因は主にL
iNbO3結晶にTiを拡散した場合に生ずる異常光に
対する屈折率増加量Δn0と常光に対する屈折率増加量
Δn、)が通常大きく異なることに起因している。
第4図は、Ti濃度と屈折率変化量の関係を示す図であ
り、詳細はジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス、第49巻ページ4677〜4682 (J、App
l、Phys、Vol、49.pp4677〜4682
)に述べられている。第4図から、Ti濃度が0.7〜
0.8%の値付近でΔneとΔn□がほぼ一致する点が
あることがわかり、このTi濃度で光導波路を構成すれ
ば偏光に依存しない光方向性結合器が得られる。
り、詳細はジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス、第49巻ページ4677〜4682 (J、App
l、Phys、Vol、49.pp4677〜4682
)に述べられている。第4図から、Ti濃度が0.7〜
0.8%の値付近でΔneとΔn□がほぼ一致する点が
あることがわかり、このTi濃度で光導波路を構成すれ
ば偏光に依存しない光方向性結合器が得られる。
しかし、上述のTi濃度は通常の偏光依存性のある光導
波路デバイスに比べて低いため、生ずる△nO+△N0
の値も小さい、その結果、光導波路中への光閉込め効果
が弱く、デバイスを構成した場合に、曲線導波路部での
放射損失が大きいという欠点や、光スィッチや光変調器
を構成した場合に電界が有効に印加されにくいため、動
作電圧が大きいという欠点があった。また、光軸(Z軸
)方向を光伝搬方向に選ぶ方式の偏光依存性のない光方
向性結合器も報告されているが、この方向では、電気光
学効果が小さいため、さらに動作電圧が大きくなってし
まう。
波路デバイスに比べて低いため、生ずる△nO+△N0
の値も小さい、その結果、光導波路中への光閉込め効果
が弱く、デバイスを構成した場合に、曲線導波路部での
放射損失が大きいという欠点や、光スィッチや光変調器
を構成した場合に電界が有効に印加されにくいため、動
作電圧が大きいという欠点があった。また、光軸(Z軸
)方向を光伝搬方向に選ぶ方式の偏光依存性のない光方
向性結合器も報告されているが、この方向では、電気光
学効果が小さいため、さらに動作電圧が大きくなってし
まう。
本発明の目的は、上述の従来の偏光依存性のない光方向
性結合器の欠点を除き、光閉込め効果の大きい偏光依存
性のない光方向性結合器及びその製造方法を提供するこ
とにある。
性結合器の欠点を除き、光閉込め効果の大きい偏光依存
性のない光方向性結合器及びその製造方法を提供するこ
とにある。
本発明による光方向性結合器は、LiNb0゜結晶基板
表面にTiを拡散して形成された互いに近接し、光伝搬
方向が光軸に対してほぼ垂直な方向の2本の光導波路と
、該光導波路に隣接する基板表面付近に形成された、基
板よりも異常光屈折率が大きな領域とからなり、TE及
び7Mモードに対して結合係数がほぼ等しい構造である
。
表面にTiを拡散して形成された互いに近接し、光伝搬
方向が光軸に対してほぼ垂直な方向の2本の光導波路と
、該光導波路に隣接する基板表面付近に形成された、基
板よりも異常光屈折率が大きな領域とからなり、TE及
び7Mモードに対して結合係数がほぼ等しい構造である
。
また、本発明によれば、LiNbO3結晶基板表面にT
iを拡散して互いに近接した2本の光導波路を形成した
後、前記基板表面の前記光導波路に隣接する領域にプロ
トン交換処理を施すことを特徴とする光方向性結合器の
製造方法が得られる。
iを拡散して互いに近接した2本の光導波路を形成した
後、前記基板表面の前記光導波路に隣接する領域にプロ
トン交換処理を施すことを特徴とする光方向性結合器の
製造方法が得られる。
通常、高いTi濃度で光導波路を形成し、光方向性結合
器を構成した場合に、Δneの方がΔn(、より゛も大
きくなり、例えばZ板を用いた場合、△n8に対応する
7Mモードの方がΔn□に対応するTEモードよりも光
の閉込めが強くなるため、7Mモードの方が結合係数が
小さくなってしまう、そこで、本発明では先導波路に隣
接する部分の基板の屈折率を異常光屈折率n8のみ増大
させる。この光導波路周囲のn、の増加量をδn8とす
ると、7Mモードに対する光の閉込めはΔne′=Δn
8−δn、となり、このΔn/をΔn、)にほぼ一致さ
せることにより光方向性結合器のTM及びTE両モード
のに対する結合係数を一致させることができる。特に光
方向性結合器の場合は、光導波路の横方向の閉込めの強
さが影響するので、先導波路に隣接する表面付近のみn
。
器を構成した場合に、Δneの方がΔn(、より゛も大
きくなり、例えばZ板を用いた場合、△n8に対応する
7Mモードの方がΔn□に対応するTEモードよりも光
の閉込めが強くなるため、7Mモードの方が結合係数が
小さくなってしまう、そこで、本発明では先導波路に隣
接する部分の基板の屈折率を異常光屈折率n8のみ増大
させる。この光導波路周囲のn、の増加量をδn8とす
ると、7Mモードに対する光の閉込めはΔne′=Δn
8−δn、となり、このΔn/をΔn、)にほぼ一致さ
せることにより光方向性結合器のTM及びTE両モード
のに対する結合係数を一致させることができる。特に光
方向性結合器の場合は、光導波路の横方向の閉込めの強
さが影響するので、先導波路に隣接する表面付近のみn
。
が増加していれば上述の効果が得られる。
また、上述の基板のn、のみ増加させる手段として、本
発明の製造方法ではプロトン交換法を利用する。高いT
i濃度で光方向性結合器を形成した後、光導波路の周囲
のみプロトン交換処理を施すことによりn8を増加させ
ることができる。特にプロトン交換の場合にはn8の増
加と同時に常光屈折率n、)が減少するので、上述のZ
板の場合、7Mモードに対する閉込めの減少と、TE奇
モード対する閉込めの増加が同時に生じ、より容易にT
M、TE量モードの光閉込め効果を等しくすることがで
きる。
発明の製造方法ではプロトン交換法を利用する。高いT
i濃度で光方向性結合器を形成した後、光導波路の周囲
のみプロトン交換処理を施すことによりn8を増加させ
ることができる。特にプロトン交換の場合にはn8の増
加と同時に常光屈折率n、)が減少するので、上述のZ
板の場合、7Mモードに対する閉込めの減少と、TE奇
モード対する閉込めの増加が同時に生じ、より容易にT
M、TE量モードの光閉込め効果を等しくすることがで
きる。
以下本発明の詳細な説明する9第1図は本発明による光
方向性結合器の一実施例である3dB分岐回路を示す斜
視図である。Z軸に垂直に切り出しなLiNbO3基板
1上に幅が数〜十数μmのTi膜パターンを1000〜
1100℃で数〜10時間拡散して形成した光導波路2
.3が間隔数〜10μm程度近接して設置され光方向性
結合器4を構成している。ここで本実施例では光の閉込
を強くするため拡散された平均Ti濃度が1%程度以上
となっている。さらに光導波路2,3の周囲には、光導
波路2,3上にマスクをして安息香酸中でプロトン交換
処理が施された結果生じたn8が増加したプロトン交換
領域5が形成されている0本実施例では光方向性結合器
4の長さρは、光導波路2の入射光6が光方向性結合器
4を通過後、そのエネルギーの50%が先導波路3へ移
行するように完全結合長L0の1/2となっている。ま
た、Tiによる屈折率増加量Δn1△ngとプロトン交
換によるnゎの増加δn、)がΔn@−δn8シΔnQ
+δnQ ・・・・・・ (1)の関係を満たす付近
の条件に設定されている。この結果、入射光6のTMモ
ード成分とTEモード成分は光方向性結合器4で同程度
の結合係数をもち、入射光の偏光方向によらず常に3d
Bの分岐比が得られる。但し、ここでTi拡散及びプロ
トン交換による屈折率変化の上述の関係式(1)はあく
までも近似的なものであり、厳密にはTM。
方向性結合器の一実施例である3dB分岐回路を示す斜
視図である。Z軸に垂直に切り出しなLiNbO3基板
1上に幅が数〜十数μmのTi膜パターンを1000〜
1100℃で数〜10時間拡散して形成した光導波路2
.3が間隔数〜10μm程度近接して設置され光方向性
結合器4を構成している。ここで本実施例では光の閉込
を強くするため拡散された平均Ti濃度が1%程度以上
となっている。さらに光導波路2,3の周囲には、光導
波路2,3上にマスクをして安息香酸中でプロトン交換
処理が施された結果生じたn8が増加したプロトン交換
領域5が形成されている0本実施例では光方向性結合器
4の長さρは、光導波路2の入射光6が光方向性結合器
4を通過後、そのエネルギーの50%が先導波路3へ移
行するように完全結合長L0の1/2となっている。ま
た、Tiによる屈折率増加量Δn1△ngとプロトン交
換によるnゎの増加δn、)がΔn@−δn8シΔnQ
+δnQ ・・・・・・ (1)の関係を満たす付近
の条件に設定されている。この結果、入射光6のTMモ
ード成分とTEモード成分は光方向性結合器4で同程度
の結合係数をもち、入射光の偏光方向によらず常に3d
Bの分岐比が得られる。但し、ここでTi拡散及びプロ
トン交換による屈折率変化の上述の関係式(1)はあく
までも近似的なものであり、厳密にはTM。
TE各モードに対する等測的な屈折率差△neffをも
とに決定される。なお、この決定方法は公知の方法であ
るので説明は省略する。
とに決定される。なお、この決定方法は公知の方法であ
るので説明は省略する。
第2図は本発明による光方向性結合器の一実施例である
偏光依存性のない光スィッチの斜視図である。第1図の
実施例と同様に、LiNbO5基板1上に光導波路12
.13がTi拡散により形成され、光方向性結合器14
を構成し、光導波路12.13の周囲にはプロトン交換
領域15が形成されている。さらに、光導波路上にはバ
ッファ層として厚さ数千への5i02膜が形成され、そ
の上に光方向性結合器14上に1対の電極20が設置さ
れている。本実施例では、光方向性結合器14の長さは
完全結合長Lcにほぼ一致しており、光導波路12への
入射光は電極20への印加電圧が0の場合にはエネルギ
ーは100%光導波路13へ結合し、出射光18となる
。一方、電極20への電圧印加により光導波路12.1
3中に非対称な屈折率変化が生ずる結果、入射光はもと
の光導波路を進み、出射光17となる0本実施例におい
て、7MモードとTE奇モード対する印加電圧特性は異
なるが、TE奇モード対してスイッチングが生ずる付近
の電圧を印加すれば7Mモードも同時にスイッチングさ
れることがエレクトロニクス・レターズ・23巻21号
1167〜1169ページ(Electronfcs
Lettens Vol、23゜No、21Pp116
7〜1169)に述べられている。但し、本実施例にお
いては従来の偏光依存性のない光スィッチと比べてTi
濃度が大きく、光閉込め効果が大きいため、動作電圧が
小さく、また、光導波路の曲線部においても放射損失が
小さいという特徴がある。
偏光依存性のない光スィッチの斜視図である。第1図の
実施例と同様に、LiNbO5基板1上に光導波路12
.13がTi拡散により形成され、光方向性結合器14
を構成し、光導波路12.13の周囲にはプロトン交換
領域15が形成されている。さらに、光導波路上にはバ
ッファ層として厚さ数千への5i02膜が形成され、そ
の上に光方向性結合器14上に1対の電極20が設置さ
れている。本実施例では、光方向性結合器14の長さは
完全結合長Lcにほぼ一致しており、光導波路12への
入射光は電極20への印加電圧が0の場合にはエネルギ
ーは100%光導波路13へ結合し、出射光18となる
。一方、電極20への電圧印加により光導波路12.1
3中に非対称な屈折率変化が生ずる結果、入射光はもと
の光導波路を進み、出射光17となる0本実施例におい
て、7MモードとTE奇モード対する印加電圧特性は異
なるが、TE奇モード対してスイッチングが生ずる付近
の電圧を印加すれば7Mモードも同時にスイッチングさ
れることがエレクトロニクス・レターズ・23巻21号
1167〜1169ページ(Electronfcs
Lettens Vol、23゜No、21Pp116
7〜1169)に述べられている。但し、本実施例にお
いては従来の偏光依存性のない光スィッチと比べてTi
濃度が大きく、光閉込め効果が大きいため、動作電圧が
小さく、また、光導波路の曲線部においても放射損失が
小さいという特徴がある。
第3図は本発明による光方向性結合器の製造方法の一実
施例を示す図である。先ず第3図(a)に示すように、
LiNbO3基板1上にTi膜のストライプ状のパター
ン21を形成する。パターン21は幅数〜十数μmの2
本の線状パターンが間隔数〜十数μmで並置されたもの
である0次に電気炉中に上記基板1が投入され、100
0〜1100℃、数〜十数時間放置することによりTi
が基板中に拡散され光導波路22が形成される(第3図
(b))、その後、第3図(c)に示すように、光導波
路上にのみCr、Ti、Ta等の金属膜マスク23が設
置されプロトン交換を施す。プロトン交換は、第3図(
d−1)に示すように、安息香酸中に基板を浸して20
0〜250℃に保つ方法と、第3図(d−2)に示すよ
うに、ビロリン酸24をコーティングして230〜26
0℃の炉中に放置する方法の2つが知られている。その
後300〜500℃程度でアニール処理を施し、第3図
(e)のようにTi拡散光導波路の周囲にプロトン交換
領域25が形成される。
施例を示す図である。先ず第3図(a)に示すように、
LiNbO3基板1上にTi膜のストライプ状のパター
ン21を形成する。パターン21は幅数〜十数μmの2
本の線状パターンが間隔数〜十数μmで並置されたもの
である0次に電気炉中に上記基板1が投入され、100
0〜1100℃、数〜十数時間放置することによりTi
が基板中に拡散され光導波路22が形成される(第3図
(b))、その後、第3図(c)に示すように、光導波
路上にのみCr、Ti、Ta等の金属膜マスク23が設
置されプロトン交換を施す。プロトン交換は、第3図(
d−1)に示すように、安息香酸中に基板を浸して20
0〜250℃に保つ方法と、第3図(d−2)に示すよ
うに、ビロリン酸24をコーティングして230〜26
0℃の炉中に放置する方法の2つが知られている。その
後300〜500℃程度でアニール処理を施し、第3図
(e)のようにTi拡散光導波路の周囲にプロトン交換
領域25が形成される。
ここで本発明では、プロトン交換の量は、Ti拡散によ
る八〇〇と△nOの差を補償することが目的であるので
、通常、プロトン交換光導波路をい形成するのに用いら
れる大きさに比べて非常に小さい。また、上述のプロト
ン交換に伴ないアニール処理の温度はTi拡散温度に比
べて十分低いので、Tiの拡散分布はプロトン交換によ
って影響を受けない。
る八〇〇と△nOの差を補償することが目的であるので
、通常、プロトン交換光導波路をい形成するのに用いら
れる大きさに比べて非常に小さい。また、上述のプロト
ン交換に伴ないアニール処理の温度はTi拡散温度に比
べて十分低いので、Tiの拡散分布はプロトン交換によ
って影響を受けない。
なお、Ti拡散光導波路周囲の異常光屈折率を増加させ
る手段としては外拡散法を用いることもできる。
る手段としては外拡散法を用いることもできる。
以上述べたように本発明によれば、光閉込め効果の大き
い偏光依存性のない光方向性結合器及びその製造方法が
得られる。
い偏光依存性のない光方向性結合器及びその製造方法が
得られる。
第1図は本発明によれ光方向性結合器の一実施例を示す
斜視図、第2図は本発明による光方向性結合器の一実施
例である偏光依存性のない光スィッチを示す斜視図、第
3図は本発明による光方向性結合器の製造方法の一実施
例を示す図、第4図はTi濃度と屈折率変化の関係を示
す図である。 1・・・NiNbO3基板、2,3,12,13゜22
・・・Ti拡散光導波路、4,14・・・光方向性結合
器、5.15.25・・・プロトン交換領域。
斜視図、第2図は本発明による光方向性結合器の一実施
例である偏光依存性のない光スィッチを示す斜視図、第
3図は本発明による光方向性結合器の製造方法の一実施
例を示す図、第4図はTi濃度と屈折率変化の関係を示
す図である。 1・・・NiNbO3基板、2,3,12,13゜22
・・・Ti拡散光導波路、4,14・・・光方向性結合
器、5.15.25・・・プロトン交換領域。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、LiNbO_3結晶基板表面にTiを拡散して形成
された互いに近接し、光伝搬方向が光軸に対してほぼ垂
直な方向の2本の光導波路と、該光導波路に隣接する基
板表面付近に形成された、基板よりも異常光屈折率が大
きな領域とからなる、TE及びTMモードに対する結合
係数がほぼ等しい光方向性結合器。 2、LiNbO_3結晶基板表面にTiを拡散して互い
に近接した2本の光導波路を形成した後、前記基板表面
の前記光導波路に隣接する領域にプロトン交換処理を施
すことを特徴とする光方向性結合器の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32882289A JPH03188423A (ja) | 1989-12-18 | 1989-12-18 | 光方向性結合器及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32882289A JPH03188423A (ja) | 1989-12-18 | 1989-12-18 | 光方向性結合器及びその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03188423A true JPH03188423A (ja) | 1991-08-16 |
Family
ID=18214479
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP32882289A Pending JPH03188423A (ja) | 1989-12-18 | 1989-12-18 | 光方向性結合器及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03188423A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06347837A (ja) * | 1993-06-08 | 1994-12-22 | Nec Corp | 光制御デバイスとその製造方法 |
US20130301990A1 (en) * | 2012-05-11 | 2013-11-14 | Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. | Optical waveguide directional coupler |
WO2020133173A1 (zh) * | 2018-12-28 | 2020-07-02 | 华为技术有限公司 | 耦合器及耦合系统 |
-
1989
- 1989-12-18 JP JP32882289A patent/JPH03188423A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06347837A (ja) * | 1993-06-08 | 1994-12-22 | Nec Corp | 光制御デバイスとその製造方法 |
US20130301990A1 (en) * | 2012-05-11 | 2013-11-14 | Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. | Optical waveguide directional coupler |
WO2020133173A1 (zh) * | 2018-12-28 | 2020-07-02 | 华为技术有限公司 | 耦合器及耦合系统 |
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