WO2020250305A1 - 光通信システム及び光通信方法 - Google Patents

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Abstract

光通信システムは、光伝送路を介して光信号を送受信する第一光通信装置と第二光通信装置とを有する。光伝送路は、第一光通信装置に接続される第一区間光伝送路と、第二光通信装置に接続され、かつ、第一区間光伝送路よりも光信号の反射点が少ない第二区間光伝送路とを有する。光通信システムは、光源と、光源から出力される励起光を、第二区間光伝送路に入射して光信号に分布ラマン増幅を行う入射部と、入射部により入射され、第二区間光伝送路を第一区間光伝送路の方向に伝送した励起光を分離する分離部とを備える。

Description

光通信システム及び光通信方法
 本発明は、光通信システム及び光通信方法に関する。
 光加入者システムには、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)やITU-T(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector)で標準化されているPON(Passive Optical Network)方式が広く用いられている。図3は、PONシステム90の構成例を示す図である。PONシステム90は、局舎910に配置された送受信装置と複数の加入者それぞれの送受信装置とが、所外に配置された光分岐器940を介して、1本のアクセス光ファイバ950で結合されたシステム構成である。例えば、局舎910に設置された送受信装置はOLT(Optical Line Terminal)911であり、加入者の送受信装置はONU(Optical Network Unit)930である。OLT911からONU930への方向は下り、ONU930からOLT911への方向は上りである。
 同一のアクセス光ファイバ950において、上り信号と下り信号とが異なる波長により双方向に伝送される。アクセス光ファイバ950を伝送する下り信号は、時分割多重(TDM:Time Division Multiplexing)技術を用いて加入者ごとの信号が多重された連続信号である。加入者宅に配置されるONU930は、光分岐器940において分岐された連続信号から、自装置に割り当てられたタイムスロットの信号を取り出して受信する。一方、アクセス光ファイバ950を伝送する上り信号は、ONU930から間欠的に送信されるバースト信号である。各ONU930から送信されるバースト信号は、光分岐器940において結合されてTDM信号となり、局舎910のOLT911に送られる。PONシステム90では、局舎910から光分岐器940までのアクセス光ファイバ950、及び、局舎910に配置されるOLT911を、複数の加入者により共用できる。従って、ギガを超える高速の光回線サービスを、経済的に提供することができる。
 PONシステムは、国内において広く導入されている。しかしながら、今後の人口減少に伴って、システムの保守を行う作業者の確保が難しくなるとの懸念があることから、保守に伴う稼働の大幅な削減が強く求められている。これを解決するための一手段として、PONシステムの長延化技術の実現が期待されている。
 図4は、図3の構成により光回線サービスを行っていたPONシステム90を長延化したPONシステム91の構成を示す図である。図4において、図3に示すPONシステム90と同一の部分には同一の符号を付している。ここでは、図3に示すPONシステム90において局舎910に配置していたOLT911を取り除き、局舎910より上位の局舎920に配置したOLT921が、各加入者宅に配置されたONU931を収容する場合を想定する。
 局舎920に配置されるOLT921として、局舎910に配置していたOLT911を使用してもよいし、新規のOLTを使用してもよい。また、各加入者宅に配置されるONU931として、元のONU930を使用してもよいし、新規のONUに交換してもよい。PONシステム91の光ファイバ伝送路は、これまで図3に示す構成によって光回線サービスを提供してきたPONシステム90が用いていたアクセス光ファイバ950と、局舎910と局舎920を接続する中継光ファイバ960とで構成される。本システム構成が実現できれば、電源供給が必要なアクティブ装置であるOLT911を局舎910から排除して、局舎910における故障率を大幅に低減することができる。これにより、OLTが故障した場合に、保守作業のため保守者が局舎910へ駆けつけるという稼働をほぼゼロにすることが可能となる。
 しかしながら、光ファイバ伝送路の延伸により、光伝送路損失が大幅に増加する。そこで、この増加した光伝送路損失を補償し得る光伝送技術が新たに必要となる。アクセスシステムでは、コスト削減が強く求められるため、光部品点数の増加を抑えることが望ましい。加えて、高パワーバジェット化を実現するためには、加入者側よりも局舎側に何等かの工夫を行うことが望ましい。光部品点数の増加を最小限に留め、かつ高パワーバジェット化を実現し得る手法としてまず考えられるのが、OLT内に搭載された光トランシーバの光送信器出力に後置光増幅器を配置し、光受信器の前段に前置光増幅器を配置する手法である。しかしながら、このような手法を用いて上り信号伝送を行うと、光伝送路において大きく強度が減衰した光信号が前置光増幅器に入力される。受信光信号の信号対雑音比(SNR:Signal to Noise Ratio)は、光増幅器が放出する自然放出光(ASE:Amplified Spontaneous Emission)雑音の影響により、大きく劣化する。よって、強い光送信器出力が入力される下り信号伝送と比較して、パワーバジェットの拡大効果が大きく劣るという問題がある。
 この問題を解決するために、上り信号伝送に分布ラマン増幅を用いる手法が提案されている(例えば、非特許文献1、2参照)。図5は、分布ラマン増幅を用いたPONシステム92を示す図である。図5において、図4に示すPONシステム91と同一の部分には同一の符号を付している。図5に示すように、局舎920には、上り信号を分布ラマン増幅するためのラマン光源922が配置される。ラマン光源922から出力される励起光を波長合分波器923が光ファイバ伝送路970に入射することより、後方励起によって上り信号が増幅される。本手法によれば、光ファイバ伝送路970を増幅媒体としているため、上り信号の強度が伝送路損失により大きく減衰する前から信号増幅がなされる。従って、ラマン増幅過程で放出されるASE雑音の影響を相対的に低減し、受信信号のSNRを向上させることができる。結果として、光受信器入力に前置光増幅器を用いる場合よりも高パワーバジェット化が実現される。そのため、上り信号伝送におけるパワーバジェット改善効果を、下り信号伝送における後置光増幅器によるパワーバジェット改善効果に近付けることが期待できる。
 一方、図5の光ファイバ伝送路970は、図4に示すアクセス光ファイバ950と中継光ファイバ960とで構成される。ここで問題となるのが、光ファイバ伝送路中の反射点の有無である。信号光は、反射点で反射されて、その反射光が再度別の反射点に反射されて元の信号光と同じ方向に進むと、元の信号光に対して干渉雑音となる。この干渉雑音によって、受信信号のSNRが劣化する。ここで言う反射点は、光ファイバを繋ぐ接続点のことである。反射点は、光コネクタやメカニカルスプライスのように、大きな反射を引き起こし得るものが該当する。一方、融着接続は、接続点における反射が極めて小さいため、反射点とはなり得ない。中継光ファイバ960は、融着接続で構成されるため反射点がほとんど無い。一方、アクセス光ファイバ950は、光コネクタやメカニカルスプライス等の反射点が多数ある。
 図3のシステム構成では、反射点となる接続点が多数あり、それら接続点の中には、ある程度の大きさの反射率rを有するものが存在し得る。しかしながら、アクセス光ファイバ950においては、二重反射光の元の信号光に対する比率はrに減じられるため、干渉雑音の影響は無視し得るほど小さくなる。ところが、アクセス光ファイバ950のような、接続点を有する光ファイバ伝送路に分布ラマン増幅用の励起光を入射すると、接続点間で反射光がラマン増幅される。その増幅率をgとすると、二重反射光の元の光信号に対する比率はgに増加する。この増加により、例えば、図5に示すように光ファイバ伝送路970を増幅媒体とした場合、受信時における干渉雑音の影響が無視し得なくなる可能性が高い。実際、中継光ファイバには接続点がほとんど無く低損失であるのに対し、アクセス光ファイバには、光コネクタ、メカニカルスプライス等の多数の接続点を有し(例えば、非特許文献3)、損失も非常に大きい。
 図6は、反射点の存在により二重反射が生じた場合に生じるパワーペナルティの計算結果を示す図である。ここでのパワーペナルティは、マーク率が1/2の信号を最適識別点で受信した場合のものであり、非特許文献4に記載の以下の式(1)によって求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、Q値はエラーフリー(ビットエラーレト10-12相当)を想定し、7とした。また、非特許文献3には、反射点における損失(α)がわずか0.2dBでも反射率-15dB近くの反射が生じることがある旨の記載があることから、αの値を0.2dBとした。反射点間に利得がない場合の相対強度雑音σRIN は以下の式(2)であり、反射点間に利得がある場合の相対強度雑音σRIN は、以下の式(3)となる。反射点間のラマン増幅利得gとして3dBを想定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 先述の通り、反射率が-15dBの場合を考えると、パワーペナルティは、反射点間に利得がない場合にはわずか0.2dBであるのに対し、反射点間に3dBの利得が生じるだけで0.85dBにまで増加し、無視できなくなる。従って、このようなアクセス光ファイバに分布ラマン増幅を適用するのは現実的であるとは言えない。翻って、非特許文献1、2を見ると、励起光がアクセス光ファイバと中継光ファイバの区別のない50kmのシングルモード光ファイバ(SMF:Single Mode Fiber)に入射されている。ここでは、図4に示されるような、既設のアクセス光ファイバを活用した長延化PONシステムを想定しているとは考えられない。つまり、局舎と加入者間に接続点のない光ファイバを新規に敷設して、光回線サービス未提供エリアに新サービスを提供する場合を想定しているものと推測される。
Derek Nesset,Paul Wright,"Raman Extended GPON using 1240 nm Semiconductor Quantum-Dot Lasers",2010 Conference on Optical Fiber Communication (OFC/NFOEC),OThW6,2010. Derek Nesset,Kristan Farrow,Paul Wright,"Bidirectional,Raman Extended GPON with 50 km Reach and 1:64 Split Using Wavelength Stabilised Pumps",37th European Conference and Exhibition on Optical Communication,Th.12.C.1,2011. Mark D. Feuer,Mikkel A. Thomas,Leda M. Lunardi,"Backreflection and Loss in Single-Fiber Loopback Networks",IEEE Photonics Technology Letters,Vol. 12,No. 8,pp.1106-1108,2000. Hiroshi Takahashi,Kazuhiro Oda,Hiromu Toba,"Impact of Crosstalk in an Arrayed-Waveguide Multiplexer on NxN Optical Interconnection",IEEE Journal of Lightwave Technology,Vol. 14,No. 6,pp.1097-1105,1996.
 光回線サービスを提供するために敷設されていた既設のアクセス光ファイバを活用した長延化PONシステムでは、光ファイバ伝送路に反射点となり得る接続点が存在する。長延化PONシステムでは、光ファイバ伝送路の延伸のため光伝送路損失が増加するものの、このような接続点が存在するために、非特許文献3の技術を適用して光信号をラマン増幅することは困難であった。
 上記事情に鑑み、本発明は、既設のアクセス光ファイバを活用して光回線サービスを提供することができる光通信システム及び光通信方法を提供することを目的としている。
 本発明の一態様は、第一光通信装置と第二光通信装置とが光伝送路を介して光信号を送受信する光通信システムであって、前記光伝送路は、前記第一光通信装置に接続される第一区間光伝送路と、前記第二光通信装置に接続され、かつ、前記第一区間光伝送路よりも前記光信号の反射点が少ない第二区間光伝送路とを有し、前記光通信システムは、光源と、前記光源から出力される励起光を、前記第二区間光伝送路に入射して前記光信号に分布ラマン増幅を行う入射部と、前記入射部により入射され、前記第二区間光伝送路を前記第一区間光伝送路の方向に伝送した前記励起光を分離する分離部と、を備える。
 本発明の一態様は、第一光通信装置と第二光通信装置とが光伝送路を介して光信号を送受信する光通信システムにおける光通信方法であって、前記光伝送路は、前記第一光通信装置に接続される第一区間光伝送路と、前記第二光通信装置に接続され、かつ、前記第一区間光伝送路よりも前記光信号の反射点が少ない第二区間光伝送路とを有しており、前記光通信システムが、光源から出力される励起光を、前記第二区間光伝送路に入射して前記光信号に分布ラマン増幅を行う入射ステップと、前記入射ステップにおいて入射され、前記第二区間光伝送路を前記第一区間光伝送路の方向に伝送した前記励起光を分離する分離ステップと、を有する光通信方法である。
 本発明により、既設のアクセス光ファイバを活用して光回線サービスを提供することが可能となる。
本発明の第1の実施形態によるPONシステムの構成を示す図である。 第2の実施形態によるPONシステムの構成を示す図である。 従来技術によるPONシステムの構成を示す図である。 従来技術による長延化したPONシステムの構成を示す図である。 従来技術による分布ラマン増幅を用いたPONシステムの構成を示す図である。 二重反射が生じた場合に生じるパワーペナルティの計算結果を示す図である。
 以下、図面を参照しながら本発明の実施形態の光通信システム及び光通信方法を詳細に説明する。以下では、光通信システムがPONシステムである場合を例に説明する。
(第1の実施形態)
 図1は、本発明の第1の実施形態によるPONシステム10の構成を示す図である。PONシステム10は、長延化PONシステムである。PONシステム10は、例えば、図3に示すPONシステム90により光回線サービスを提供するために敷設されていた既設のアクセス光ファイバ950を活用して、図4と同様に、PONシステムの長延化が図られている。PONシステム10の局舎110、局舎120、OLT121、ONU130、光分岐器140、アクセス光ファイバ150、中継光ファイバ160はそれぞれ、図4に示すPONシステム91の局舎910、局舎920、OLT921、ONU931、光分岐器940、アクセス光ファイバ950、中継光ファイバ960に相当する。
 アクセス光ファイバ150に接続されていた元のOLT(図3に示すOLT911に相当)が配置されていた局舎110又はその局舎110の付近には、波長合分波器111及び光終端器112が配置される。なお、長延化に伴って局舎110が取り除かれている場合もある。局舎120には、OLT121、ラマン光源122及び波長合分波器123が配置される。波長合分波器123は、OLT121と中継光ファイバ160との間に設置される。波長合分波器111は、中継光ファイバ160とアクセス光ファイバ150とに接続される。所外に配置された光分岐器140は、アクセス光ファイバ150と複数のONU130とに接続される。アクセス光ファイバ150は、光コネクタやメカニカルスプライス等、反射点となる接続点が多数ある。中継光ファイバ160は、融着接続で構成されるため接続点における反射が極めて小さく、アクセス光ファイバ150よりも光信号の反射点が少ない。
 局舎120に配置されるOLT121は、TDM技術を用いて多重された下り信号を出力する。中継光ファイバ160及びアクセス光ファイバ150を含む光ファイバ伝送路は、OLT121が出力した下り信号を伝送する。光分岐器140は、中継光ファイバ160及びアクセス光ファイバ150を伝送した下り信号を受信し、受信した下り信号を複数のONU130に分岐する。加入者宅に配置されるONU130は、光分岐器140が分岐した連続信号を受信し、受信した連続信号から自装置に割り当てられたタイムスロットの信号を取り出して受信する。
 一方、各ONU130は、上り信号を送信する。ONU130から送信される上り信号は、間欠的に送信されるバースト信号である。光分岐器140は、各ONU130から受信した上り信号を結合し、結合された上り信号を出力する。結合された上り信号は、TDM信号である。アクセス光ファイバ150及び中継光ファイバ160を含む光ファイバ伝送路は、光分岐器140が出力した上り信号を伝送する。局舎120のOLT121は、この光ファイバ伝送路を伝送した上り信号を受信する。
 図1に示す通り、PONシステム10では、OLT121を元の局舎110の上位の局舎120に配置することにより伝送距離が長延化される。PONシステム10は、伝送距離の長延化によって生じた光伝送路損失の増加分を補償するため、上り信号を後方励起により分布ラマン増幅する。具体的には、上位の局舎120において、ラマン光源122が励起光を出力し、波長合分波器123は、ラマン光源122が出力した励起光を中継光ファイバ160に入射する。波長合分波器123は、例えば、WDM(Wavelength Division Multiplexing)フィルタ等の波長合波器であるが、光サーキュレータを用いてもよい。
 一方、OLTが配置されていた元の局舎110又は局舎110付近に配置される波長合分波器111は、分布ラマン増幅に用いられなかった励起光を、光ファイバ伝送路を構成する中継光ファイバ160から分離して取り除き、励起光がアクセス光ファイバ150に入射されることを防ぐ。波長合分波器123と同様に、波長合分波器111は、例えば、WDMフィルタ等の波長分波器であるが、光サーキュレータを用いてもよい。また図1では、波長合分波器111が取り除いた励起光を光終端器112に出力し、取り除かれた励起光を光終端器112が終端する場合を示しているが、光終端器112は無くてもよい。本構成によれば、励起光がアクセス光ファイバ150に入射され、ラマン増幅された多重反射光が干渉雑音となって受信信号のSNRを劣化させるという問題を防ぐことができる。
(第2の実施形態)
 第1の実施形態では、元の局舎又はその付近において、分布ラマン増幅に用いられなかった励起光を取り除き、取り除かれた励起光を終端している。本実施形態では、分布ラマン増幅に用いられなかった励起光を、元の中継光ファイバへ再入射する。以下では、第1の実施形態との差分を中心に説明する。
 図2は、本発明の第2の実施形態によるPONシステム11の構成を示す図である。PONシステム11は、例えば、図3に示すPONシステム90により光回線サービスを提供するために敷設されていた既設のアクセス光ファイバ950を活用して、図4と同様に、PONシステムの長延化が図られている。図2において、図1に示す第1の実施形態によるPONシステム10と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図2に示すPONシステム11が、図1に示すPONシステム10と異なる点は、光終端器112にかえて光反射器113を備える点である。
 PONシステム11は、図1に示すPONシステム10と同様にして光ファイバ伝送路から取り除かれた励起光を、光反射器113により反射して、元の中継光ファイバ160に再入射する。すなわち、局舎120において、ラマン光源122が励起光を出力し、波長合分波器123は、ラマン光源122が出力した励起光を中継光ファイバ160に入射する。波長合分波器111は、中継光ファイバ160から分布ラマン増幅に用いられなかった励起光を分離する。光反射器113は、波長合分波器111が分離した励起光を反射する。波長合分波器111は、光反射器113が反射した励起光を中継光ファイバ160に入射する。本実施形態によれば、光反射器113からの反射光が、上り信号に対してラマン増幅の前方励起光として働くため、より大きなラマン増幅利得を得ることができる。
 上述した実施形態によれば、複数の加入者に対して光回線サービスを提供していたPONシステムから元の局舎に配置していたOLTを取り除き、元の局舎の上位の局舎に配置したOLTによって、各加入者宅のONUを収容して長延化PONシステムを構築する。このように、OLTを上位の局舎に配置することにより伝送距離が長延化し、それによって生じた光伝送路損失の増加分を補償するため、上り信号を後方励起により分布ラマン増幅するための励起光を上位の局舎から光伝送路に入射する。そして、元の局舎付近に配置した波長合分波器、又は、光サーキュレータにより、分布ラマン増幅に用いられなかった励起光を分離して光伝送路から取り除く。あるいは、波長合分波器、もしくは光サーキュレータにより分離して光伝送路から取り除かれた励起光を、光反射器により反射して、元の光伝送路に再入射する。
 上述した実施形態によれば、反射点となる接続点が存在する光ファイバ伝送路であっても、受信光信号のSNRを劣化させることなく分布ラマン増幅を適用することができる。よって、既設のアクセス光ファイバを活用した長延化PONシステムを実現することが可能となる。また、本実施形態によれば、伝送距離を延伸した長延化PONシステムにおいて、OLT故障時に保守作業に伴う駆けつけ稼働を大幅に削減することができる。
 以上説明した実施形態によれば、光通信システムは、第一光通信装置と第二光通信装置とを備え、第一光通信装置と第二光通信装置とは、光伝送路を介して光信号を送受信する。例えば、光通信システムは、PONシステム10、11であり、第一光通信装置は、ONU130(終端装置)であり、第二光通信装置は、OLT121(端局装置)である。光伝送路は、光分岐器を介して複数の第一光通信装置に接続される第一区間光伝送路と、第二光通信装置に接続される第二区間光伝送路とを有する。第二区間光伝送路は、第一区間光伝送路よりも光信号の反射点が少ない。例えば、第一区間光伝送路は、光分岐器を介して第一光通信装置と接続されるアクセス光ファイバ150であり、第二区間光伝送路は、中継光ファイバ160である。
 光通信システムは、光源と、入射部と、分離部とを有する。例えば、光源は、ラマン光源122であり、入射部は、波長分波器(波長合分波器123)又は光サーキュレータであり、分離部は波長合分波器111である。入射部は、光源から出力される励起光を、第二区間光伝送路に入射して光信号に分布ラマン増幅を行う。分離部は、入射部により入射され、第二区間光伝送路を第一区間光伝送路の方向に伝送した励起光を分離する。
 なお、光通信システムは、光反射部と、反射光入射部とをさらに有してもよい。例えば、光反射部は、光反射器113であり、反射光入射部は、波長合波器(波長合分波器111)又は光サーキュレータである。光反射部は、分離部が分離した励起光を反射する。反射光入射部は、光反射部が反射した励起光を第二区間光伝送路に入射する。
 また、端局装置は、第一区間光伝送路に接続され、第一区間光伝送路を介して複数の終端装置と光信号を送受信していた元の端局装置が取り除かれた後に、第一区間光伝送路を第二区間光伝送路により長延化した光伝送路に接続される。なお、分離部は、取り除かれた元の端局装置が設置されていた第一局舎又は第一局舎の付近に配置されてもよい。第二光通信装置、光源及び入射部は、第一局舎よりも上位の第二局舎に配置される。例えば、第一局舎は局舎110であり、第二局舎は局舎120である。
 以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれら実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
10、11、90、91、92…PONシステム,
110、120、910、920…局舎,
111、123、923…波長合分波器,
112…光終端器,
113…光反射器,
121、911、921…OLT,
122、922…ラマン光源,
130、930、931…ONU,
140、940…光分岐器,
150、950…アクセス光ファイバ,
160、960…中継光ファイバ,
970…光ファイバ伝送路

Claims (6)

  1.  第一光通信装置と第二光通信装置とが光伝送路を介して光信号を送受信する光通信システムであって、
     前記光伝送路は、前記第一光通信装置に接続される第一区間光伝送路と、前記第二光通信装置に接続され、かつ、前記第一区間光伝送路よりも前記光信号の反射点が少ない第二区間光伝送路とを有し、
     前記光通信システムは、
     光源と、
     前記光源から出力される励起光を、前記第二区間光伝送路に入射して前記光信号に分布ラマン増幅を行う入射部と、
     前記入射部により入射され、前記第二区間光伝送路を前記第一区間光伝送路の方向に伝送した前記励起光を分離する分離部と、
     を備える光通信システム。
  2.  前記分離部が分離した前記励起光を反射する光反射部と、
     前記光反射部が反射した前記励起光を前記第二区間光伝送路に入射する反射光入射部とをさらに備える、
     請求項1に記載の光通信システム。
  3.  前記分離部は、波長分波器又は光サーキュレータである、
     請求項1に記載の光通信システム。
  4.  前記第一光通信装置は、終端装置であり、
     前記第二光通信装置は、端局装置であり、
     前記第一区間光伝送路は、光分岐器を介して複数の前記終端装置と接続される、
     請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の光通信システム。
  5.  前記端局装置は、前記第一区間光伝送路に接続され、前記第一区間光伝送路を介して複数の前記終端装置と光信号を送受信していた端局装置が取り除かれた後に、前記第一区間光伝送路と前記第二区間光伝送路とを有する前記光伝送路に接続される、
     請求項4に記載の光通信システム。
  6.  第一光通信装置と第二光通信装置とが光伝送路を介して光信号を送受信する光通信システムにおける光通信方法であって、
     前記光伝送路は、前記第一光通信装置に接続される第一区間光伝送路と、前記第二光通信装置に接続され、かつ、前記第一区間光伝送路よりも前記光信号の反射点が少ない第二区間光伝送路とを有しており、
     前記光通信システムが、
     光源から出力される励起光を、前記第二区間光伝送路に入射して前記光信号に分布ラマン増幅を行う入射ステップと、
     前記入射ステップにおいて入射され、前記第二区間光伝送路を前記第一区間光伝送路の方向に伝送した前記励起光を分離する分離ステップと、
     を有する光通信方法。
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