KR100289038B1 - Gain-equalized multi-channel optical amplifier using semiconductor optical amplifier and erbium-doped fiber - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A gain-equalized multi-channel optical amplifier is provided to equalize a gain easily and extend a gain bandwidth using a semiconductor optical amplifier and an erbium-doped fiber at the same time. CONSTITUTION: The first optical amplifier part(5) controls gain variation according to input light strength and density-inversion variations using an erbium-doped fiber for the first amplification. The second optical amplifier part(6) secondly amplifies lights amplified through the first optical amplifier part(5) and equalizes a gain, using a semiconductor optical amplifier. The gain of an input signal of the light amplified by the first optical amplifier part(5) has a gain characteristic curve which is lowered as a wavelength is prolonged. The gain of an input signal of the light amplified by the second optical amplifier part(6) has a gain characteristic curve which is increased as a wavelength is prolonged.

Description

반도체 광증폭 소자와 희토류 원소 첨가 광섬유를 이용하여 이득 등화된 다채널 광 증폭기Gain-Equalized Multichannel Optical Amplifier Using Semiconductor Optical Amplifier and Rare Earth Element-Added Fiber

본 발명은 광증폭기에 관한 것으로, 특히 파장분할 다중 광전송 시스템에 사용 되는 이득 등화된 다채널 광증폭기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to optical amplifiers, and more particularly to gain-equalized multichannel optical amplifiers for use in wavelength division multiple optical transmission systems.

상기 광증폭기는 광전송 시스템에서 광선로의 손실과 신호 분기에 의해 약해진 신호를 증폭하여 장거리 전송이 가능하도록 하는데, 초창기 광증폭기로는 반도체 레이저의 원리를 이용하여 개발된 반도체 광증폭기가 있었으나, 반도체 광증폭기의 제조 방법에 대한 핵심 기술인 반도체 제작 기술의 발전이 늦어지면서 기초적인 연구로 그치게 되던 중 광섬유에 에르븀과 같은 희토류 원소를 첨가하게 되면 여기광에 의해 높은 이득을 얻을 수 있다는 사실이 알려지면서 이에 대한 연구가 급속하게 이루어져서 현재 상용화 수준에 도달하게 되었으며, 광섬유 증폭기의 확산과 더불어 광통신 시스템은 수 천 km에 달하는 장거리 통신이 가능하게 되었다.The optical amplifier amplifies the signal weakened by the loss of the optical path and signal branch in the optical transmission system to enable long-distance transmission. In the early optical amplifier, there was a semiconductor optical amplifier developed using the principle of a semiconductor laser. As the development of semiconductor manufacturing technology, which is a key technology for the manufacturing method of semiconductors, has been delayed, the basic research has been stopped. Has rapidly reached its current commercial level, and with the proliferation of fiber-optic amplifiers, optical communication systems have enabled long-distance communications of thousands of kilometers.

한편, 대용량화를 위해 광전송 시스템에서는 여러 개의 파장에 서로 다른 정보를 실어 보내게 되면, 시스템의 용량을 늘일 수 있는 파장분할 다중 전송에 관한 연구가 이루어지면서 이득 파장 대역이 넓은 특성을 가지는 다채널 광증폭기에 대한 필요가 생기게 되었는데, 이러한 다채널 광전송 시스템에 사용되는 광증폭기는 전송 채널 간, 즉 전송 파장 간의 이득이 균일하여야 한다. 그러나 현재 많이 사용되는 에르븀 첨가 광증폭기의 경우, 광섬유내에 존재하는 에르븀 이온의 근본적인 이득 특성으로 인해 파장에 따라 증폭률이 달라지게 되는, 즉 다채널 광전송 시스템에서 장거리 전송시 에르븀 첨가 광증폭기의 이득 특성의 불균일은 여러 번의 증폭을 통하여 계속 누적되어 신호 채널간의 최종 광세기 및 신호 대 잡음비 특성을 열화시키게 됨에 따라 에르븀 첨가 광증폭기의 이득 불균일 특성을 개선하기 위하여 이득 특성과 정반대의 광학 필터를 사용하는 방법, 수신단에서의 광채널 간의 차를 보상하기 위하여 송신단에서 각 채널간의 광세기를 조절하는 방법, 그리고 두개의 광증폭기에서 여기광의 세기를 각각 조절하여 이득 등화를 조절하는 방법 등이 사용되고 있다.On the other hand, when the optical transmission system sends different information to multiple wavelengths for large capacity, the research on the wavelength division multiplexing which can increase the capacity of the system is carried out, and the multi-channel optical amplifier having the wide gain wavelength band characteristics. A need arises for optical amplifiers used in such multichannel optical transmission systems that the gain between transmission channels, i.e., transmission wavelength, must be uniform. However, in the case of erbium-doped optical amplifiers, which are widely used, the amplification rate varies depending on the wavelength due to the fundamental gain characteristics of erbium ions in the optical fiber, that is, the gain characteristics of the erbium-added optical amplifiers for long-distance transmission in a multichannel optical transmission system. As the nonuniformity is accumulated through several amplifications and degrades the final light intensity and signal-to-noise ratio characteristics between the signal channels, a method using an optical filter opposite to the gain characteristic to improve the gain nonuniformity of the erbium-doped optical amplifier, In order to compensate for the difference between the optical channels at the receiving end, a method of adjusting the light intensity between each channel at the transmitting end and a method of controlling gain equalization by adjusting the intensity of the excitation light at each of the two optical amplifiers are used.

그러나 상기 광학 필터의 경우 아직 완벽한 상태를 가진 소자가 구현되어 있지 아니하며, 송신 채널간의 광세기를 조절하는 경우에는 시스템의 유연성 측면에서 상당한 문제를 안고 있고, 또한 두개의 광섬유 증폭기를 사용하여 이득 등화를 하는 경우에는 최적화의 복잡함과 이득 대역폭의 확장이 어려운 점을 안고 있다.However, the optical filter has not yet implemented a device with a perfect state, and when controlling the light intensity between the transmission channel has a significant problem in terms of flexibility of the system, and gain equalization using two optical fiber amplifiers In this case, the complexity of optimization and the expansion of gain bandwidth are difficult.

도 1은 종래의 기술로서 이득 등화를 위해 가장 많이 사용되는 2단으로 구성된 희토류 원소 첨가 광섬유 증폭기의 구조를 나타낸다.Fig. 1 shows the structure of a rare earth element-added optical fiber amplifier composed of two stages, which is most commonly used for gain equalization as a conventional technique.

상기 도 1의 광섬유 증폭기는 희토류 원소 첨가 광섬유를 이용한 제 1단 광증폭부(1)와 희토류 원소 첨가 광섬유를 이용한 제 2단 광섬유 증폭부(2)로 구성되어 있는데, 상기 도 1의 구성을 가지는 광섬유 증폭기에 있어서, 제 1단 광섬유 증폭기를 에르븀 첨가 광섬유로 사용하였을 경우 도 2에 나타낸 바와 같은 광신호의 이득 특성 곡선(3)에서 원으로 표시한 부분의 기울기와, 제 2단 광섬유 증폭기를 에르븀 첨가 광섬유로 사용하였을 경우 도 2에 나타낸 바와 같은 광신호의 이득 특성 곡선(4)에서 원으로 표시한 부분을 중첩시키게 되면 이득 특성 기울기가 정반대이므로 최종 출력의 이득은 이 영역에서 균일하게 된다.The optical fiber amplifier of FIG. 1 includes a first stage optical amplifier 1 using a rare earth element-added optical fiber and a second stage optical fiber amplifier 2 using a rare earth element-added optical fiber. In the optical fiber amplifier, when the first stage optical fiber amplifier is used as the erbium-doped optical fiber, the slope of the circled portion in the gain characteristic curve 3 of the optical signal as shown in Fig. 2 and the second stage optical fiber amplifier are erbium When used as an additive optical fiber, when the portions indicated by circles in the gain characteristic curve 4 of the optical signal as shown in Fig. 2 are superimposed, the gain characteristic slope is opposite, so that the gain of the final output is uniform in this region.

상기와 같은 특성을 얻기 위해서는 서로 다른 밀도 반전 조건을 이용하게 되는데, 희토류 원소 첨가 광섬유의 기본 특성상 자유롭게 이득 특성의 기울기와 이득 대역폭을 조절하기 힘들기 때문에 이득 등화 조건이 까다로울 뿐만 아니라 이득 대역폭을 늘리기가 어려우며, 또한 파장에 따른 이득 특성의 차이를 가지게 되면, 파장분할 다중 광전송 시스템에 적용시킬 경우 수신단의 수신 감도를 저하시키는 요인이 됨으로써, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 일정 파장 대역폭에서 이득 특성을 균일하게한 도 1과 같은 구조의 에르븀 첨가 광증폭기가 사용되고 있으나, 최적화가 어려울 뿐만아니라 넓은 이득 대역폭을 확보하는 것에 어려움이 있다.In order to obtain the above characteristics, different density reversal conditions are used. Since the inclination and gain bandwidth of the gain characteristics are not freely adjusted due to the basic characteristics of the rare earth element-added optical fiber, the gain equalization condition is difficult and the gain bandwidth is increased. If it is difficult and has a difference in gain characteristics according to the wavelength, it is a factor that lowers the reception sensitivity of the receiver when applied to the wavelength division multiplexing optical transmission system. Although the erbium-added optical amplifier having the structure shown in FIG. 1 is used, not only is it difficult to optimize but also has difficulty in securing a wide gain bandwidth.

한편, 반도체 광 증폭소자의 경우 최근 들어 광 증폭 소자에서 중요한 잔류 반사율을 줄이는 기술이 획기적으로 발전하여 그 특성이 괄목할 정도로 개선되었는데, 상기 반도체 광증폭소자는 밴드 구조가 포락선 형태를 가지고 있어서 이득 대역폭이 넓고, 이득 피크는 주입전류의 변화에 의해 조절이 가능하므로 다 채널 광 증폭기로서 사용하고자 하는 노력이 계속되고 있다.On the other hand, in the case of semiconductor optical amplification devices, the technology for reducing the significant residual reflectance of optical amplification devices has been remarkably improved in recent years, and its characteristics have been remarkably improved. Since the wide and gain peaks can be adjusted by changing the injection current, efforts to use them as multi-channel optical amplifiers continue.

그러나 상기 광증폭소자는 높은 이득 영역에서 잔류 반사율에 의한 영향이 증가하여 이득 흘들림(gain fluctuation)이 일어 나고, 아직은 시스템에 사용될 만큼의 평탄화된 이득 대역폭을 확보하지 못하고 있는 실정임에 따라 희토류 첨가 광섬유 증폭기와 반도체 광 증폭소자를 동시에 사용하게 되면, 광 섬유 증폭기의 높은 이득 특성과 반도체 광증폭소자의 이득 특성 조절의 유연성을 결합할 수가 있으므로 넓은 이득 대역과 높은 이득 특성을 가지는 다 채널 광증폭기를 얻을 수 있다.However, the optical amplification device has a gain fluctuation due to an increase in the influence of residual reflectance in a high gain region, and has not yet secured a flattened gain bandwidth enough to be used in a system. When the amplifier and the semiconductor optical amplifying device are used at the same time, it is possible to combine the high gain characteristics of the optical fiber amplifier and the flexibility of adjusting the gain characteristics of the semiconductor optical amplifier, thereby obtaining a multi-channel optical amplifier having a wide gain band and high gain characteristics. Can be.

상기 언급한 바와 같이 종래의 파장분할 다중 전송시스템에 있어서 파장간의 이득차가 생기게 되면 시스템의 성능이 저하되므로, 이러한 파장간의 이득차를 보상하기 위하여 사용되고 있는 종래의 방법은 이득 등화의 조건이 까다롭고 이득 대역폭이 좁은 단점이 있다.As mentioned above, in the conventional wavelength division multiplexing transmission system, when the gain difference between wavelengths is generated, the performance of the system is degraded. Therefore, the conventional method used to compensate for the gain difference between the wavelengths is difficult to obtain the equalization of the gain. The disadvantage is narrow bandwidth.

따라서 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 반도체 광증폭 소자와 희토류 원소 첨가 광섬유 증폭기를 동시에 사용하여 이득 등화의 용이성 및 이득 대역폭을 확장시킬 수 있는 이득 등화된 광증폭기를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention for solving the problems of the prior art is to provide a gain equalized optical amplifier that can extend the gain bandwidth and ease of gain equalization by using a semiconductor optical amplifier and a rare earth element-added optical fiber amplifier simultaneously.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이득 등화된 다채널 광증폭기는, 1차 광증폭을 하는 희토류 원소가 첨가된 광섬유를 이용하여 입력 광세기 및 밀도반전의 변화에 따른 이득 변화를 제어하는 제 1 단 광증폭부 및 상기 제 1 단 광증폭부를 통과하여 증폭된 광을 반도체 광증폭 소자를 사용하여 2차 광증폭 및 이득등화를 하는 제 2단 광증폭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The gain-equalized multichannel optical amplifier of the present invention for achieving the above object is a method for controlling the gain change according to the change of the input light intensity and the density inversion by using an optical fiber to which a rare earth element that performs primary optical amplification is added. And a second stage optical amplifier configured to perform secondary optical amplification and gain equalization of the light amplified through the first stage optical amplifier and the first stage optical amplifier using a semiconductor optical amplifier.

도 1은 희토류 원소 첨가 광섬유만를 이용하여 2단으로 구성한 이득 등화된 다 채널 광 증폭기,1 is a gain-equalized multi-channel optical amplifier composed of two stages using only a rare earth element-added optical fiber,

도 2는 광이득 스펙트럼을 나타낸 그래프,2 is a graph showing an optical gain spectrum;

도 3은 본 발명에 의한 희토류 원소 첨가 광섬유와 반도체 광증폭 소자를 이용 하여 이득 등화된 다채널 광증폭기,3 is a gain-equalized multichannel optical amplifier using a rare earth element-added optical fiber and a semiconductor optical amplifier according to the present invention;

도 4는 도 3의 광이득 스펙트럼을 나타낸 그래프,4 is a graph showing the light gain spectrum of FIG.

도 5는 에르븀 첨가 광섬유가 높게 밀도 반전된 경우의 측정된 광이득 스펙트럼을 나타낸 그래프,5 is a graph showing the measured light gain spectrum when the erbium-doped optical fiber is high density inverted;

도 6은 에르븀 첨가 광섬유가 낮게 밀도 반전된 경우의 측정된 광이득 스펙트럼을 나타낸 그래프,6 is a graph showing the measured light gain spectrum when the erbium-doped optical fiber is low density inverted;

도 7은 반도체 광증폭 소자의 주입 전류에 따라 측정된 광이득 스펙트럼의 일례을 나타낸 그래프.7 is a graph showing an example of an optical gain spectrum measured according to an injection current of a semiconductor optical amplifier.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>

1 : 희토류 원소 첨가 광섬유를 이용한 제 1단 광증폭부1: First stage optical amplification part using rare earth element-added optical fiber

2 : 희토류 원소 첨가 광섬유를 이용한 제 2단 광증폭부2: second stage optical amplification part using rare earth element-added optical fiber

3 : 희토류 원소 첨가 광섬유를 에르븀 첨가 광섬유로 사용한 경우의 제 1단 광증폭부의 파장에 따른 이득 특성 곡선3: Gain characteristic curve according to the wavelength of the first stage optical amplification section when the rare earth element-added optical fiber is used as the erbium-doped optical fiber

4 : 희토류 원소 첨가 광섬유를 에르븀 첨가 광섬유로 사용한 경우의 제 2단 광증폭부의 파장에 따른 이득 특성 곡선4: Gain characteristic curve according to the wavelength of the second stage optical amplification part when the rare earth element-added optical fiber is used as the erbium-doped optical fiber

5 : 희토류 원소 첨가 광섬유를 이용한 제 1단 광증폭부5: first stage optical amplification part using rare earth element-added optical fiber

6 : 반도체 광증폭 소자를 이용한 제 2단 광증폭부6: second stage optical amplifier using semiconductor optical amplifier

7 : 희토류 원소 첨가 광섬유를 에르븀 첨가 광섬유로 사용한 경우의 제 1단 광증폭부의 파장에 따른 이득 특성 곡선7: Gain characteristic curve according to the wavelength of the first stage optical amplification section when the rare earth element-added optical fiber is used as the erbium-doped optical fiber

8 : 반도체 광증폭 소자를 이용한 제 2단 광증폭부의 파장에 따른 이득 특성 곡선8: Gain characteristic curve according to the wavelength of the second stage optical amplifier using semiconductor optical amplifier

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명에 의한 이득 등화된 다채널 광증폭기를 나타낸 것으로, 희토류 원소 첨가 광섬유를 이용한 제 1단 광증폭부(5)와 2차 광증폭 및 이득등화를 위한 반도체 광증폭소자를 이용한 제 2단 광증폭부(6)로 구성된다.Figure 3 shows a gain-equalized multi-channel optical amplifier according to the present invention, comprising a first stage optical amplifier 5 using a rare earth element-added optical fiber and a semiconductor optical amplifier for secondary optical amplification and gain equalization. It consists of a two stage optical amplifier 6.

본 발명의 이득 등화된 광증폭기는, 상기 희토류 원소 첨가 광섬유를 이용한 제 1단 광 증폭기(5)를 통과하여 증폭된 광의 입력신호의 이득은 도 4 에 나타낸 바와 같이 파장이 길어질수록 낮아지는 이득 특성 곡선(7)을 나타내고, 상기 2단의 반도체 광증폭부(6)를 통과한 입력신호의 이득은 도 4에 나타낸 바와 같이 파장이 길어질수록 증가하는 이득 특성 곡선(8)을 나타내므로, 단파장쪽의 이득 특성을 이용하게 되면 이득 등화가 가능하다. 즉, 상기 도 1의 경우와는 달리 반도체 광증폭 소자를 사용하는 경우에는 이득 피크 값 및 이득 특성 기울기를 주입 전류를 변화 시킴으로써 자유롭게 변환시키는 것이 가능하기 때문에 이득 등화가 용이할 뿐만 아니라 이득 대역폭의 증가를 가져올 수 있는데, 이때 반도체 광증폭소자는 입력 광세기의 변화에 따라 제 1 단 광증폭부의 이득이 변하는 것을 제어하기 위하여 반도체 광증폭소자를 이용한다.The gain-equalized optical amplifier of the present invention has a gain characteristic in which the gain of the input signal of the light amplified through the first stage optical amplifier 5 using the rare earth element-added optical fiber is lowered as the wavelength is longer. The gain of the input signal passing through the two-stage semiconductor optical amplification section 6 is shown by the curve 7 and the gain characteristic curve 8 increases as the wavelength becomes longer, as shown in FIG. By using the gain characteristic of, gain equalization is possible. That is, unlike the case of FIG. 1, when using a semiconductor optical amplifier, the gain peak value and the gain characteristic slope can be freely converted by changing the injection current, so that the gain equalization is easy and the gain bandwidth is increased. In this case, the semiconductor optical amplifier uses a semiconductor optical amplifier to control the change in the gain of the first stage optical amplifier according to the change in the input light intensity.

또한 도 2에서의 배열을 역으로 배치하게 되면 이득 등화가 가능한데, 상기 1단의 반도체 광증폭 소자에서 이득 피크의 장파장 영역을 이용하고, 2단의 희토류 원소 첨가 광섬유 증폭기의 이득 특성을 이용하게 되면 역시 이득 등화가 가능하며, 아울러, 상기 제 2단 광증폭부의 반도체 광증폭 소자의 주입전류를 조절하여 이득 특성을 변화시키면 이득 등화하는 것이 가능하다.In addition, if the arrangement in FIG. 2 is reversed, gain equalization is possible. When the long wavelength region of the gain peak is used in the semiconductor optical amplification device of the first stage, the gain characteristics of the fiber amplifier with the rare earth element added in the second stage are used. Gain equalization is also possible, and gain equalization can be achieved by changing the gain characteristics by adjusting the injection current of the semiconductor optical amplifier of the second stage optical amplifier.

도 5는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 밀도반전이 강하게 일어난 경우 측정된 광이득 스펙트럼의 일례로서 사용 파장영역에서는 음의 이득 특성 기울기를 갖으며, 도 6은 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 밀도반전이 약하게 일어난 경우 측정된 광이득 스펙트럼의 일례로서, 사용 파장영역에서 양의 이득 특성 기울기를 갖으며, 또한 도 7은 반도체 광증폭 소자의 주입 전류를 50mA - 200mA까지 변화시켜 가면서 측정한 광이득 스펙트럼으로서, 상기 도 7에서 나타나듯이 주입 전류가 증가할수록 반도체 광증폭 소자의 이득 피크 값은 단파장으로 이동하며 이득 특성의 기울기는 가파르게 변화하고, 이득 특성 곡선에서 이득 피크를 중심으로 단파장쪽은 양의 이득 기울기를 가지며, 장파장쪽은 음의 이득 기울기를 갖는다.FIG. 5 is an example of an optical gain spectrum measured when density inversion is strongly performed in an erbium-doped fiber amplifier, and has a negative gain characteristic slope in a wavelength range used, and FIG. 6 is measured when density inversion is weak in an erbium-doped fiber amplifier. As an example of the obtained optical gain spectrum, it has a positive gain characteristic slope in the wavelength range of use, and FIG. 7 is an optical gain spectrum measured while varying the injection current of the semiconductor optical amplification device from 50 mA to 200 mA. As shown in, as the injection current increases, the gain peak value of the semiconductor optical amplifier moves to short wavelength, the slope of the gain characteristic changes steeply, and the short wavelength side has a positive gain slope around the gain peak in the gain characteristic curve. The side has a negative gain slope.

상술한 바와 같이 본발명의 이득 등화된 다채널 광증폭기는, 반도체 광증폭 소자의 자유로운 이득 특성을 이용하여 광섬유 증폭기와 복합적으로 사용함으로써 이득 등화를 용이하게 하고, 이득 대역폭을 늘릴 수 있으며, 희토류 원소 첨가 광섬유 증폭기와는 달리 주입전류의 변화에 따라 이득 피크의 위치를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 파장에 따른 이득 기울기를 자유롭게 조절하는 특성을 가지고 있으므로 희토류 원소 첨가 광섬유 증폭기와 결합시키게 되면 이득 특성의 조절이 희토류 원소 첨가 광섬유 증폭기만으로 구성된 경우에 비해 용이한 효과를 갖는다.As described above, the gain-equalized multi-channel optical amplifier of the present invention can be easily used for gain equalization and increase gain bandwidth by using the optical gain of the semiconductor optical amplifier in combination with the optical fiber amplifier. Unlike the additive fiber amplifier, the position of the gain peak can be adjusted according to the change of the injection current, and the gain slope can be freely adjusted according to the wavelength. Therefore, when combined with the rare earth element-added fiber amplifier, the gain characteristic can be adjusted. Compared with the case of only the rare earth element-added optical fiber amplifier, it has an easy effect.

Claims (1)

다채널 광전송 시스템에서 광증폭기의 이득을 등화하기 위한 다채널 광증폭기에 있어서,In the multi-channel optical amplifier for equalizing the gain of the optical amplifier in the multi-channel optical transmission system, 1차 광증폭을 하는 희토류 원소가 첨가된 광섬유를 이용하여 입력 광세기 및 밀도반전의 변화에 따른 이득 변화를 제어하는 제 1단 광증폭부; 및A first stage optical amplification unit for controlling a gain change according to a change in input light intensity and density inversion using an optical fiber to which a rare earth element having primary optical amplification is added; And 상기 제 1단 광증폭부를 통과하여 증폭된 광을 반도체 광증폭소자를 사용하여 2차 광증폭 및 이득등화를 하는 제 2단 광증폭부를 포함하여, 이득 특성을 용이하게 조절하는 것을 특징으로 하는 다채널 광증폭기.And a second stage optical amplification unit configured to perform secondary optical amplification and gain equalization using the semiconductor optical amplification device for the light amplified through the first stage optical amplification unit. Channel optical amplifier.
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