KR20200040664A - 미리 조립된 레이저 모듈에서 광섬유 브래그 격자를 형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

레이저 다이오드 패키지 내에 광섬유 브래그 격자(FBG)를 제공하는 방법이 제안되며 이는 먼저 광섬유를 패키지 안으로 삽입하는 단계(전형적으로 광섬유의 스트립된 종단) 및 광섬유를 레이저 다이오드와 정렬시키는 단계를 포함한다. 일단 정렬되면, 외부 FBG 기입 시스템은 특정 FBG에 대한 특유의 격자 라인 패턴을 생성하는 방식으로 패키지(패키지는 이 시점에서 "개방된" 상태로 남아 있음)의 제자리에 있는 광섬유의 선택된 섹션을 조명하기 위해 사용된다. 위상 마스크를 갖는 UV-기반 시스템을 사용할 때, 집속 렌즈는 간섭 빔들을 스트립된 광섬유의 코어 영역으로 지향시키기 위해 위상 및 개방 패키지 사이에 배치된다. 고출력 펨토초 레이저 소스는 구조를 직접 기록하고 패키지 내 FBG를 형성하기 위해 대안적인 배열로 사용될 수 있다.

Description

미리 조립된 레이저 모듈에서 광섬유 브래그 격자를 형성하는 방법{METHOD OF FORMING A FIBER BRAGG GRATING IN A PRE-ASSEMBLED LASER MODULE}

본 발명은 레이저 송신기에서 파장 안정화 구성요소로서 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg grating(FBG))를 사용하는 것에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 완전 조립된 레이저 모듈에서 FBG를 생성하는 방법에 관한 것이다.

광섬유 브래그 격자들(FBGs)은 레이저에 의해 생성되는 출력 파장을 안정화시키기 위해 인라인(in-line) 필터로서 레이저 송신기들과 함께 사용되는 잘 알려진 요소들(elements)이다. 일 응용에서, FBG는 펌프 레이저 소스 광 증폭기에서 사용하기 위해 요구되는 원하는 980 nm 값에서 출력 파장을 유지하기 위해 펌프 레이저 소스와 함께 사용된다. FBG는 기본적으로 광섬유에서 코어 영역의 굴절률의 종방향 변화(variation)로 구성되며, 여기서 변화는 통상적으로 광섬유의 코어 영역의 굴절률 프로파일을 빔 간섭의 함수로서 수정하는 방식으로 광섬유를 간섭 빔들로 조명하는 UV 소스에 스트립된 광섬유의 섹션(section)을 노출시켜, 상이한 굴절률의 교번 섹션들의 패턴(즉, "격자")을 형성함으로써 형성된다. 일단 격자가 형성되면, 재킷(jacket) 및 코팅 재료의 새로운 층들은 격자를 보호하기 위해 광섬유의 스트립된 영역을 따라 재-적용될 필요가 있다.

이들 및 다른 프로세스들에 걸쳐, 레이저 다이오드 패키지를 나가는 광섬유는 광범위한 양의 핸들링(handling)을 받게 되며, 이는 (특히 광섬유가 통합 패키징 요건들을 준수하기 위해 단단히 감겨질 필요가 있는 상황들에서) 광섬유의 장기적인 신뢰성/강도의 추가적인 저하(degradation)를 초래할 수 있다. 장기적인 신뢰성의 저하는 적어도 부분적으로, 격자 구조를 생성하는 과정 동안에 광섬유에 도입되는 결함들로 인한 것이다.

이들 결함들의 존재를 수용하는 종래의 방법들은 임의의 굽힘-유도된 결함들이 회피되도록 격자를 포함하는 광섬유의 일부를 직선으로 유지하는 특수 패키징 제약들의 사용을 포함한다. 대안적으로, 격자를 포함하는 광섬유의 섹션 내에 큰 굽힘 반지름을 유지하는 특수 패키징이 생성될 수 있다. 이들 시스템들과 연관되는 광섬유의 길이들을 고려해 볼 때, "특수 패키징"에 대한 요구들은 대부분의 응용들에 대해 경제적으로 실현 가능한 것보다 더 클 수 있다. 더욱이, 모든 광학 구성요소들(components)에 대한 "소형 폼 팩터" 패키징 요건들을 준수하기 위한 증가하는 요구들이 존재하며, 여기서 이들 요건들은 레이저 소스들로부터 출력 파장 안정성을 제공하기 위해, 종래 기술에서 일반적인 바와 같이, 상대적으로 긴 광섬유의 길이들 또는 큰 반경의 광섬유 코일들의 사용을 용이하게 수용하지 못한다.

본 발명은 레이저 다이오드 소스를 갖는 파장 안정화 요소로서 FBG의 이용에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 완전 조립된 레이저 모듈에서 FBG을 생성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따르면, 광섬유는 레이저 다이오드 소스를 수용하기 위해 사용되는 패키지 모듈 내의 제자리에 위치된다. 패키지 모듈 내에 위치되는 광섬유의 일부는 패키지에 삽입되기 전에 스트립된다. 일단 제자리에 고정되면, 기입 소스(writing source)는 스트립된 패키지 내(in-package) 광섬유의 지정된 섹션을 조명하고 FBG를 생성한다.

본 발명의 다양한 실시예들에서, 레이저 다이오드 소스는 FBG 기입 프로세스 동안 전압이 가해지며, 광 스펙트럼 분석기는 광섬유를 따라 전파되는 출력 신호를 측정하고 FBG 기입 프로세스를 제어하기 위해 사용된다. 대안적으로, 외부 광대역 광 소스는 FBG 기입 프로세스 동안 광섬유를 조명하기 위해 사용될 수 있으며, 이러한 외부 조명의 반사된 구성요소는 광 스펙트럼 분석기로 지향된다.

본 발명의 일 예시적 실시예는 미리 조립된 레이저 다이오드 소스와 함께 광섬유 브래그 격자(FBG)를 형성하는 방법의 형태를 취하며, 레이저 다이오드 소스는 패키지에 배치된다. 방법은 적어도 하기 단계들을 포함한다: (1) 광섬유의 스트립된 종단을 패키지 안으로 삽입하는 단계 - 패키지는 리드(lid) 없는 개방된 구성으로 남아 있음 -; (2) 광섬유를 레이저 다이오드 소스와 정렬시키고 광섬유의 정렬된 위치를 고정시키는 단계; (3) FBG 기입 시스템을 광섬유의 스트립된 종단 위에 위치시키는 단계; 및 (4) FBG 기입 시스템을 활성화하여 광섬유의 코어 영역의 선택된 부분을 따라 미리 결정된 패턴의 격자 라인들을 각인시켜, 패키지 내 FBG를 형성하는 단계.

본 발명의 다른 및 추가 실시예들은 다음 논의의 프로세스 동안 그리고 첨부 도면들을 참조하여 명백하게 될 것이다.

이제, 유사한 부호들이 다수의 도면들에서 유사한 컬러들을 나타내는 도면들을 참조한다:
도 1은 패키지화된 레이저 다이오드에 결합되는 광섬유의 단순화된 다이어그램이다.
도 2는 광섬유의 패키지 내 부분을 따라 FBG를 생성하기 위해 사용되는 본 발명의 예시적 방법을 예시한다.
도 3은 도 2의 실시예의 대안적인 구성이며, 이 경우 FBG 기입 프로세스를 모니터링할 시에 사용하기 위해 테스트 신호를 광섬유로 도입하도록 외부 광 소스 및 (연관된 커플러)를 사용한다.
도 4는 광섬유의 패키지 내 부분을 따라 FBG를 생성하기 위한 본 발명에 따른 대안적인 방법을 예시한다.
도 5는 본 발명에 따라 형성되는 패키지 내 FBG를 포함하는, 패키지화된 레이저 다이오드에 결합되는 광섬유의 단순화된 다이어그램이다.

도 1은 본 발명의 패키지 내(in-package) FBG 제조 방법을 구현하기 위해 사용되는 초기 구성의 단순화된 다이어그램이다. 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(10)는 패키지(12) 내에 위치된다. 레이저 다이오드(10)에 전압을 가하기 위해 사용되는 전기 접점들(14)은 패키지(12)로부터 외부로 연장된다. 광섬유(20)는 패키지(12)에 부착되는 것으로서 도시되며, 이 경우 페룰 커넥터(ferrule connector)(22)를 사용하여 광섬유(20)를 패키지(12)에 기계적으로 부착시킨다. 광섬유(20)의 단부 부분(24)은 패키지(12) 안으로 연장되고 레이저 다이오드(10)와 광학 정렬로 위치되는 것으로서 도시된다. 삽입 전에, 외부 코팅 재료(26)는 단부 부분(24)으로부터 제거되며, 따라서 "베어(bare)"(또한 "스트립된" 것으로서 지칭됨) 광섬유 부분을 형성한다. 일단 정렬되면, 베어 광섬유(24)는 (에폭시 또는 다른 적절한 본딩 재료를 사용하여) 패키지(12) 내의 제자리에 고정된다. 도 1의 다이어그램에서, 한 쌍의 고정 포인트들(30 및 32)이 도시된다.

프로세스에서 이 포인트까지, 패키지(12) 내에 조립되는 구성요소들은 조립 담당자에게 가시적이고 접근 가능하게 남아 있다는 점이 이해되어야 한다. 즉, 도 1과 연관하여 상술된 단계들은 "리드"가 패키지(12) 상의 제자리에 있지 않은 상태에서 수행된다. 프로세스의 다음 단계들은 아래에 설명되는 바와 같이, 패키지(12)의 내부가 노출된 채 남아 있는 동안 패키지 내 FBG의 형성이다. 상술된 바와 같이, FBG는 예를 들어, 강한 광 간섭 패턴에 대한 코어의 노출에 의해 형성될 수 있는 광섬유의 길이를 따른 굴절률의 주기적 섭동(perturbation)이다.

도 2는 패키지 내 FBG 형성 프로세스의 다음 단계를 예시하며, 여기서 이 특정 실시예에서 FBG 기입 시스템(40)은 베어 광섬유(24) 위에 배치되도록 "개방" 패키지(12) 위에 위치된다. 도 2에 도시된 특정 실시예에서, FBG 기입 시스템(40)은 UV 광 소스(42), 위상 마스크(44) 및 집속 렌즈(46)를 포함한다. UV 광 소스(42)(예를 들어, ArF 엑시머 레이저 또는 KrF 엑시머 레이저를 포함할 수 있음)는 시준된(collimated) 빔을 생성하며 이는 그 후에 위상 마스크(44)를 통과한다. 위상 마스크(44)는 시준된 빔의 부분들에 대한 제어된 위상 지연들을 도입하고 (미리 결정된 각도에서) 출력으로서 한 쌍의 빔들을 생성하며 이는 그 후에 보강(reinforcement) 및 소거(cancellatio)의 교번 영역들의 예시적 패턴을 간섭 및 생성할 것이다.

대개의 종래 기술의 배열들에서, 위상 마스크(44)는 스트립된 광섬유에 바로 인접하여 배치된다. 그러나, 패키지 내 FBG를 형성하는 경우, 위상 마스크는 베어 광섬유(24)에 상대적으로 가까이 근접하여 위치될 수 없다. 임의의 다른 형태의 제어가 없으면, 간섭 빔들은 패키지(12)에 도달하기 전에 많은 양의 발산(divergence)을 경험할 것이고 원하는 위치에서 FBG를 생성할 수 없을 것이다. 따라서, 본 발명의 원리들에 따르면, 집속 렌즈(46)는 발산하는 한 쌍의 간섭 빔들을 재집속시키고 도 2에 도시된 바와 같은 위치에서 베어 광섬유(24) 상으로 에너지를 지향시키기 위해 사용된다. 베어 광섬유(24)를 통과하는 ± 1차 빔들이 또한 이러한 도면에 도시된다. 패키지 내 FBG(50)는 베어 광섬유(24)의 상대적으로 작은 부분, 예를 들어 약 5 mm 정도를 따라 연장되도록 형성되는 것으로 고려된다.

패턴의 특정 강도는 상술된 바와 같이, FBG(50)를 형성하기 위해 필요한 베어 광섬유(24)의 굴절률의 변화들을 생성한다. 바람직한 실시예에서, 피드백 구성은 패키지 내 FBG를 생성하는 프로세스를 효율적으로 제어하기 위해 시스템(40)의 동작을 제어하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 원리들의 예시적 구현예에서, 레이저 다이오드(10)로부터 방출되는 광은 피드백 제어를 위해 사용될 수 있다. 레이저 다이오드(10)로부터의 광 출력은 FBG 기입 시스템(40)에 의해 도입되는 변화들에 의해 영향을 받는, 광섬유(20)를 따라 전파된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광 스펙트럼 분석기(60)는 전파 신호를 차단하고 FBG(50)의 특성들을 그것이 생성됨에 따라 모니터링하도록 배치된다(예를 들어, 생성된 격자의 반사율 및 중심 파장을 모니터링함). 측정된 특성들은 격자 기입 프로세스를 제어하기 위해 실시간으로 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 제어 신호는 OSA(60)로부터 UV 레이저(42)로 송신되고 기입 프로세스(예를 들어, 소스의 강도를 조정하는 것, 노출의 길이를 제어하는 것 등)를 수정하기 위해 사용됨으로써 원하는 반사율 및 중심 파장의 격자가 생성된다.

기입 프로세스를 제어하기 위해 피드백 신호를 생성하는 것 뿐만 아니라, 격자를 그것이 기입되고 있는 동안에 모니터링하는 능력은 레이저 다이오드(10)의 활성화를 요구하는 것 대신에 외부 광 소스를 이용할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 도 3은 이러한 구성을 예시하며, 여기서 이러한 예의 목적들을 위해 레이저 다이오드(10)는 턴 "오프" 상태로 남아 있다. 대신에, 외부 광 소스(62)는 격자가 기입되고 있는 동안에 베어 광섬유(24)를 조명하기 위해 사용된다. 특히, 광 소스(62)로부터의 광 출력은 광섬유(64)의 섹션으로 도입되며, 이는 광 커플러(66)(즉, 3dB 커플러)에 대한 제1 입력으로서 적용되며, 여기서 광섬유(20)는 다른 입력이다. 광 소스(62)로부터의 입력 테스트 신호는 패키지(12)를 향해 광섬유를 따라 전파되며, 여기서 입력 테스트 신호는 격자와 그것이 기입되고 있는 동안에 궁극적으로 상호작용한다. 이러한 테스트 신호 조명의 반사된 부분은 그 후에 광섬유를 따라 OSA(60)로 지향되어, 상기 논의된 바와 동일한 방식으로 사용된다. 유리하게는, 외부 광 소스의 사용은 광대역 광파가 테스트 입력 신호로서 사용되는 것을 허용하며, 이는 (단일 파장) 레이저 다이오드(10)로부터 FBG(50)를 통해 방출을 통과시키는 것과 연관되는 것보다 보다 상세한 FBG 응답 특성을 제공할 수 있다.

도 4는 본 발명의 원리들에 따라 패키지 내 FBG를 생성하기 위해 사용될 수 있는 대안적인 구성을 예시한다. 여기서, 스트립된 광섬유의 정의된 길이를 따라 격자를 각인시키는 간섭 패턴을 생성하기 위해 광 소스 및 위상 마스크를 사용하는 대신에, 펨토초 레이저 소스(70)가 베어 광섬유(24)의 일부 상으로 원하는 격자 구조를 직접 기입하기 위해 사용된다. 펨토초 레이저 소스(70)는 예를 들어, 1000 mJ/cm²를 초과하는 파워를 갖는, 고출력, 펄스 레이저 소스이다. 고출력 펄스들은 광섬유의 섹션을 따라 굴절률의 원하는 종방향 변화를 생성하기 위해 (포인트 별 방법으로, 또는 라인 별 방법으로) 코어 재료와 직접 상호작용한다. 여기서, 형성된 격자는 FBG(50A)로 지정된다. 직접-기입 방법의 하나의 이점은 이러한 코팅에 대해 사용되는 재료들이 펨토초 레이저 소스(70)와 연관되는 스펙트럼의 근 적외선(near-IR) 영역에 투명하므로, 그것이 외부 재킷 코팅(26)의 제거를 요구하지 않을 수 있다는 점이다. 다른 이점은 광섬유 내에 형성되는 격자 패턴이 레이저 소스(70)로부터의 펄스들의 이동을 제어함으로써 특정 응용(예를 들어, 아포다이즈(apodized), 블레이즈(blazed) 등등)에 대해 개별적으로 맞춤화될 수 있다는 점이다(상술된 위상 마스크 기입 방법은 격자 변화들을 제공하기 위해 유사한 방식으로 제어될 수 있지만, 그것의 구현은 직접-기입 접근법만큼 간단하지 않다는 점이 이해되어야 한다).

도 2에 도시된 실시예와 같이, OSA(60)는 생성 프로세스를 제어하고 원하는 반사율 및 중심 파장을 갖는 격자를 생산하기 위해 펨토초 레이저 소스(70)와 함께 동일한 방식으로 사용될 수 있다. 더욱이, 직접-기입 실시예는 OSA(60)와 함께 사용하기 위한 광대역 모니터링 신호 입력으로서 외부 광 소스를 사용할 수 있다.

도 5는 최종 구조를 예시하며, FBG(50)는 베어 광섬유 부분(24)을 따라 형성된다. 일단 FBG(50)를 형성하는 프로세스가 완료되면, 리드 구성요소(80)는 패키지(12) 위에 위치되고 이에 부착된다.

본 발명은 바람직한 실시예들의 관점에서 본원에 설명되었다. 본원에 설명되는 대안들, 수정들, 및 등가물들을 포함하는 본 발명의 다른 실시예들은 명세서 및 도면의 고려로부터 당업자에게 명백할 것이다. 상기 설명된 실시예들 및 바람직한 특징들은 단지 예시적인 것으로서 고려되어야 하며, 본 발명은 이에 첨부되는 청구항들에 의해 정의되며, 이는 따라서 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 모든 그러한 대안들, 수정들, 및 등가물들을 포함한다.

Claims (12)

1. 미리 조립된 레이저 다이오드 소스와 함께 광섬유 브래그 격자(FBG)를 형성하는 방법에 있어서, 상기 레이저 다이오드 소스는 패키지에 배치되고 하기 단계들, 즉,
   광섬유의 스트립된 종단을 상기 패키지 안으로 삽입하는 단계 - 상기 패키지는 리드(lid) 없이 개방된 구성으로 남아 있음 -;
   상기 광섬유를 상기 레이저 다이오드 소스와 정렬시키고 상기 광섬유의 상기 정렬된 위치를 고정시키는 단계;
   FBG 기입 시스템을 상기 광섬유의 상기 스트립된 종단 위에 위치시키는 단계; 및
   상기 FBG 기입 시스템을 활성화하여 상기 광섬유의 코어 영역의 선택된 부분을 따라 미리 결정된 패턴의 격자 라인들을 각인시켜, 패키지 내(in-package) FBG를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 정렬 단계를 수행하기 전에, 하기 단계: 즉,
   상기 광섬유의 상기 스트립된 종단에 렌즈형 단면(endface)을 형성하는 단계가 수행되는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 방법은 하기 단계들: 즉,
   상기 FBG-생성 소스를 활성화시키는 상기 단계 동안 상기 레이저 다이오드 소스에 전압을 가하는 단계; 및
   광 스펙트럼 분석기에서 상기 광섬유의 대향 종단에서 나오는 광 신호를 측정하여 상기 FBG의 반사율 및 생성된 중심 파장을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 방법은 하기 단계: 즉,
   미리 정의된 반사율 및 중심 파장을 나타내는 패키지 내 FBG를 생성하기 위해, 필요에 따라, 상기 FBG 기입 시스템의 파라미터들을 조정하기 위해 상기 광 스펙트럼 분석기로부터 상기 FBG 기입 시스템으로 제어 신호를 송신하는 단계를 더 포함하는 방법
5. 제1항에 있어서,
   상기 방법은 하기 단계들: 즉,
   광 테스트 신호를 상기 광섬유를 따라 도입하여 그곳을 따라 전파하고 FBG 기록 동안 상기 미리 결정된 패턴의 격자 라인들과 상호작용하여, 반사된 광 테스트 신호를 생성하는 단계; 및
   광 스펙트럼 분석기에서 상기 광섬유의 대향 종단에서 나오는 상기 반사된 광 테스트 신호를 측정하여 상기 FBG의 반사율 및 생성된 중심 파장을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 방법은 하기 단계: 즉,
   미리 정의된 반사율 및 중심 파장을 나타내는 패키지 내 FBG를 생성하기 위해, 필요에 따라, 상기 FBG 기입 시스템의 파라미터들을 조정하기 위해 상기 광 스펙트럼 분석기로부터 상기 FBG 기입 시스템으로 제어 신호를 송신하는 단계를 더 포함하는 방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 도입 단계를 수행 시에 외부 광 소스는 상기 광 테스트 신호를 생성하기 위해 제공되고, 상기 도입 단계는 광 커플러를 사용하여 상기 광 테스트 신호를 상기 광섬유에 결합시키는 단계를 포함하는 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 외부 광 소스는 광대역 광 소스인 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 FBG 기입 시스템은 UV-기반 간섭 소스를 포함하고, 상기 FBG 기입 시스템을 활성화시키는 상기 단계는 하기 단계들: 즉,
   UV 레이저 소스에 전압을 가하여 시준된 빔을 방출시키는 단계;
   형성될 상기 패키지 내 FBG의 미리 정의된 주기와 연관되는 주기적 구조를 나타내도록 구성되는 위상 마스크를 통해 상기 시준된 빔을 송신하는 단계 - 상기 위상 마스크는 상기 격자 패턴을 형성하기 위해 간섭하는 한 쌍의 빔들을 생성함 -; 및
   상기 마스크에서 나오는 상기 한 쌍의 간섭 빔들을 상기 패키지 안으로 지향되도록 집속시키고 상기 광섬유의 상기 스트립된 종단의 미리 정의된 섹션을 조명하고 상기 패키지 내 광섬유 격자를 각인시키는 단계를 포함하는 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 FBG 기입 시스템은 고출력 펨토초 펄스 레이저 소스를 포함하고, 상기 FBG 기입 시스템을 활성화시키는 상기 단계는 하기 단계들: 즉,
    상기 펨토초 펄스 레이저 소스에 전압을 가하여 고출력 펄스들의 트레인(train)을 방출시키는 단계;
    상기 방출된 펄스 트레인을 상기 광섬유의 상기 스트립된 종단 상으로 지향시키는 단계; 및
    상기 방출된 펄스 트레인의 이동을 제어하여 상기 광섬유의 코어 영역의 특성들을 직접 수정하고 상기 패키지 내 FBG를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 하기 단계: 즉,
    상기 패키지 상에 리드 구성요소를 부착시켜 상기 레이저 다이오드 소스와 함께 상기 패키지 내 FBG를 둘러싸는 단계를 더 포함하는 방법.
12. 미리 조립된 레이저 다이오드 소스와 함께 광섬유 브래그 격자(FBG)를 형성하는 방법에 있어서, 상기 레이저 다이오드 소스는 패키지에 배치되고 하기 단계들: 즉,
    광섬유의 종단을 상기 패키지 안으로 삽입하는 단계 - 상기 패키지는 리드 없이 개방된 구성으로 남아 있음 -;
    상기 광섬유를 상기 레이저 다이오드 소스와 정렬시키고 상기 광섬유의 정렬된 위치를 고정시키는 단계;
    FBG 직접-기입 시스템을 상기 개방된 패키지 내의 상기 광섬유의 일부 위에 위치시키는 단계; 및
    상기 FBG 직접-기입 시스템을 활성화하여 상기 광섬유의 코어 영역의 선택된 부분을 따라 미리 결정된 패턴의 격자 라인들을 각인시켜, 패키지 내 FBG를 형성하는 단계를 포함하는 방법.

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