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第 42 卷 , 第 11 期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
2005 年 11 月
Vol.42, No.11
Nov. 2005
光 纤 环 形 镜 在 光 纤 通 信 中 的 应 用
刘 峰 叶 青 庞 拂 飞 瞿 荣 辉 方 祖 捷
( 中 国 科 学 院 上 海 光 学 精 密 机 械 研 究 所 , 上 海 201800)
摘 要 介 绍 了 光 纤 环 形 镜 的 工 作 原 理 , 讨 论 了 近 年 来 其 在 高 速 光 开 关 , 波 分 复 用 器 以 及 特 性 测 量 等 领 域 的 若 干 应 用 研 究 。
关 键 词 光 纤 光 学 光 纤 干 涉 仪 光 纤 环 形 镜 高 速 光 开 关
Applications of Fiber Loop Mirror in Fiber Communication
LIU Feng YE Qing PANG Fufei QU Ronghui FANG Zujie
(Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800)
Abstract The characteristics and applications of fiber loop mirror are introduced. Some researches using fiber loop
mirror in high speed optical switch, WDM and measurement domains are discussed.
Key words fiber optics fiber interferometer fiber loop mirror high speed optical switch
1 引 言
控 制 光 纤 环 中 正 反 向 传 播 光 束 间
光 纤 环 形 镜 是 一 种 灵 活 的 光 的 相 位 差 , 从 而 实 现 对 光 纤 环 形 镜
纤 干 涉 结 构 , 只 需 将 2 伊 2 耦 合 器 同 透 射 和 反 射 功 率 的 控 制 。 根 据 不 同
侧 两 端 口 光 纤 连 接 起 来 构 成 环 状 的 控 制 机 制 , 光 纤 环 形 镜 的 应 用 可
即 可 。 如 图 1 所 示 , 从 耦 合 器 另 侧 分 为 以 下 几 类 。 从 时 域 考 虑 , 利 用
端 口 入 射 的 光 信 号 , 进 入 光 纤 环 后 非 线 性 或 双 折 射 效 应 等 手 段 , 控 制
被 分 为 正 反 向 传 播 的 两 束 , 当 它 们 光 纤 环 形 镜 的 输 出 , 用 于 高 速 光 开
在 环 中 绕 行 再 次 在 耦 合 器 相 遇 时 关 、 调 制 器 、 被 动 锁 模 激 光 器 等 领
发 生 干 涉 , 两 束 光 的 相 对 相 位 决 定 域 。 从 频 域 考 虑 , 利 用 在 光 纤 环 形
了 输 入 光 是 被 光 纤 环 形 镜 反 射 还 镜 中 插 入 光 纤 光 栅 、 保 偏 光 纤 等 手
是 透 射 。 由 于 光 纤 环 形 镜 中 干 涉 光 段 实 现 不 同 频 率 光 束 选 择 性 输 出 ,
束 共 用 相 同 的 光 路 , 因 此 对 外 界 的 应 用 于 WDM 领 域 。 从 偏 振 性 提 出
扰 动 具 有 较 好 的 免 疫 能 力 , 较 其 它 利 用 对 光 纤 环 形 镜 耦 合 器 结 构 的
干 涉 仪 , 如 马 赫 - 曾 德 尔 干 涉 仪 、 控 制 制 成 光 纤 偏 振 器 件 。 此 外 直 接
Michelson 干 涉 仪 等 更 适 合 光 纤 应 将 被 测 器 件 引 入 光 纤 环 形 镜 , 并 稍
用 。 光 纤 环 形 镜 应 用 的 核 心 是 如 何 作 必 要 改 进 , 又 可 实 现 了 光 纤 器 件
图 1 光 纤 环 形 镜 示 意 图
的 色 散 、 偏 振 模 色 散 等 许 多 特 性 的
测 量 。 近 年 来 , 光 纤 环 形 镜 应 用 及
研 究 相 关 报 道 很 多 , 本 文 根 据 国 外
一 些 相 关 报 道 对 光 纤 环 形 镜 在 光
纤 通 信 中 的 应 用 进 行 讨 论 。
2 光 纤 环 形 镜 的 应 用
2.1 光 纤 环 形 镜 高 速 光 开 关 及 调
制 器
目 前 提 出 的 高 速 光 开 关 很 多
采 用 了 光 纤 环 形 镜 结 构 , 如 : 非 线
性 光 纤 环 形 镜 (NOLM) 光 开 关 , 太
赫 (THz) 非 对 称 解 复 用 器 (TOAD)
等 等 。 可 见 高 速 光 开 关 的 研 究 是 光
纤 环 形 镜 最 受 关 注 的 应 用 之 一 。
非 线 性 光 纤 环 形 镜 光 开 关 大
体 上 可 以 分 为 自 相 位 调 制 (SPM) 型
[1]
和 交 叉 相 位 调 制 型 两 类 。SPM 型
基 本 原 理 是 使 光 纤 环 形 镜 中 正 反
向 传 播 光 束 的 功 率 不 等 , 从 而 利 用
自 相 位 调 制 引 起 的 光 强 相 关 相 移
改 变 干 涉 光 束 的 相 位 差 。 最 早 提 出
的 SPM 方 案 使 用 了 一 只 58:42 功
率 比 的 耦 合 器 , 成 功 地 实 现 了 功 率
收 稿 日 期 : 2005-04-11
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相 关 光 开 关 。 在 另 一 实 验 中 使 用 振 旋 转 , 从 而 使 两 束 光 再 次 相 遇 时
1:1 耦 合 器 和 两 段 保 偏 光 纤 , 通 过 虽 然 具 有 平 行 的 偏 振 态 和 相 同 的
调 节 保 偏 光 纤 光 轴 的 夹 角 , 使 顺 时 强 度 , 但 也 会 产 生 一 个 强 度 相 关 的
针 光 束 偏 振 态 保 持 与 保 偏 光 纤 主 相 位 差 ∆ϕ NL =βPL。 其 中 β 为 非 线
轴 一 致 , 而 逆 时 针 光 束 偏 振 方 向 与 性 系 数 ,P 为 单 束 光 功 率 ,L 为 光 纤
保 偏 光 纤 主 轴 夹 角 为 π/4。 逆 时 针 环 的 长 度 , 这 里 由 于 使 用 3dB 耦 合
光 束 在 保 偏 光 纤 的 两 个 主 轴 上 被 器 , 因 此 其 功 率 为 输 入 总 功 率 的 一
[3]
分 解 为 两 个 功 率 较 小 的 信 号 , 从 而 半 。
产 生 非 线 性 相 位 差 , 这 一 方 法 也 成 SPM 强 度 调 制 光 开 关 能 吸 收
功 地 实 现 了 光 信 号 自 身 强 度 调 制 弱 信 号 , 而 对 高 强 度 信 号 则 是 透 明
[2]
光 开 关 。Pottiez 等 提 出 利 用 非 线 的 , 并 且 具 有 极 短 的 响 应 时 间 ( 小 于
性 偏 振 旋 转 实 现 非 线 性 光 开 关 , 其 10fs), 因 此 可 以 用 于 脉 冲 整 形 和 净
结 构 如 图 2 所 示 , 在 光 纤 环 中 插 入 化 , 并 且 可 以 利 用 其 响 应 速 度 快 的
100m 的 高 螺 旋 光 纤 , 并 在 环 中 接 优 势 代 替 可 饱 和 吸 收 体 用 于 被 动
[4]
近 耦 合 器 端 口 处 插 入 一 λ/4 波 片 。 锁 模 的 超 短 脉 冲 激 光 器 研 究 。
高 螺 旋 光 纤 的 引 入 是 为 了 消 除 光 XPM 型 光 纤 环 形 镜 非 线 性 光
路 内 非 理 想 的 线 性 双 折 射 影 响 , 而 开 关 基 本 原 理 是 在 光 纤 环 形 镜 中
光 纤 环 形 镜 的 非 对 称 结 构 则 使 顺 引 入 一 个 控 制 光 束 , 当 控 制 信 号 注
时 针 传 播 的 光 束 以 圆 偏 振 通 过 光 入 光 纤 环 形 镜 并 仅 沿 某 一 方 向 传
纤 环 , 逆 时 针 光 束 以 线 偏 振 通 过 光 输 时 , 会 对 正 反 向 传 输 的 两 束 光 中
纤 环 。 由 于 线 偏 光 不 经 历 非 线 性 偏 的 某 一 束 产 生 非 线 性 效 应 , 而 另 一
振 旋 转 , 而 圆 偏 光 经 历 了 非 线 性 偏 束 却 不 受 影 响 , 从 而 控 制 开 关 的 输
图 2 利 用 非 线 性 偏 振 旋 转 的 SPM- 光 纤 环 形 镜
出 。 这 类 光 开 关 可 以 应 用 于 光 信 号
波 长 变 换 , 光 脉 冲 整 形 , 光 信 号 处
理 , 高 速 光 时 分 复 用 系 统 中 的 解 复
用 和 信 号 的 3R 处 理 等 等 。
对 非 线 性 光 纤 环 形 镜 基 本 理
论 的 研 究 , 在 上 世 纪 90 年 代 已 基
本 成 熟 , 目 前 的 研 究 多 为 一 些 实 用
化 的 具 体 问 题 。 如 在 非 线 性 光 纤 环
形 镜 中 为 了 获 得 较 大 的 非 线 性 , 一
般 环 的 长 度 在 数 百 米 , 由 于 外 界 干
扰 和 光 纤 本 身 的 应 力 等 因 素 引 起
的 双 折 射 使 非 线 性 光 纤 环 形 镜 光
开 关 具 有 一 定 的 偏 振 相 关 性 , 不 利
于 实 际 应 用 。 为 了 克 服 这 一 缺 点 ,
美 国 密 西 根 大 学 在 光 纤 环 中 引 入
螺 旋 应 力 ( 见 图 3), 实 验 证 实 通 过
对 环 中 光 纤 引 入 10 周 辕 拍 长 的 扭 转
模 拟 保 圆 偏 振 光 纤 , 非 线 性 光 纤 环
形 镜 解 复 用 器 的 偏 振 相 关 性 由
5dB 下 降 到 0.5dB, 获 得 了 很 好 的
[5]
改 善 。
由 于 光 纤 的 非 线 性 较 弱 , 在 控
制 信 号 的 实 际 功 率 下 需 要 10km 或
更 长 的 光 纤 才 能 引 入 大 小 为 π 的
相 移 , 因 此 在 光 纤 环 形 镜 中 插 入 半
导 体 光 放 大 器 (SOA), 利 用 SOA 增
益 饱 和 产 生 的 相 移 , 实 现 在 很 短 距
离 和 较 低 功 率 下 对 光 信 号 的 开 关
控 制 。 由 于 SOA 载 流 子 恢 复 时 间
较 长 ( 约 200ps) [6] , 使 开 关 的 应 用 受
到 了 限 制 。 为 了 克 服 这 一 缺 点 , 提
出 了 将 SOA 放 置 在 偏 离 光 纤 环 对
称 中 心 处 , 利 用 正 反 向 调 制 时 间 差
实 现 高 速 脉 冲 调 制 的 方 案 , 实 现 响
图 3 利 用 扭 转 光 纤 克 服 XPM- 光 纤 环 形 镜 光 纤 环 解 复 用 器 的 偏 振 相 关 性
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应 速 度 为 皮 秒 量 级 的 光 开 关 , 这 一
结 构 被 称 为 THz 光 学 非 对 称 解 复
用 器 (TOAD)。 图 4 给 出 了 日 本 电
信 大 学 给 出 的 一 种 TOAD 的 设 计
[7]
, 它 通 过 改 变 直 流 参 考 光 的 频 率
和 延 迟 线 的 延 时 量 实 现 了 信 号 频
率 、 脉 宽 的 高 速 自 由 变 换 。
除 了 非 线 性 光 纤 环 形 镜 高 速
光 开 关 , 利 用 光 纤 环 形 镜 的 双 折 射
敏 感 特 性 可 以 构 造 光 纤 环 形 镜 高
速 电 光 开 关 , 它 只 需 将 电 光 材 料 以
一 定 角 度 插 入 光 纤 环 形 镜 即 可 , 如
图 4 TOAD 的 脉 冲 变 换
[8]
图 5 所 示 。 光 纤 环 形 镜 电 光 开 关 2.2 光 纤 环 形 镜 波 长 选 择 性
的 优 势 是 尺 寸 可 以 做 的 较 小 , 并 且 由 于 光 纤 环 形 镜 本 身 具 有 宽
结 构 简 单 , 由 电 信 号 直 接 调 制 , 可 波 段 相 应 的 特 性 , 因 此 只 须 在 其 中
以 向 波 导 集 成 器 件 过 渡 , 非 常 适 合 加 入 波 长 选 择 元 件 就 可 以 应 用 于
光 调 制 器 等 应 用 。
波 分 复 用 系 统 。 目 前 提 出 的 多 信 道
图 5 电 光 光 纤 环 形 镜 调 制 器
图 6 光 纤 环 形 镜 光 控 梳 状 滤 波 器
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方 案 主 要 有 两 种 , 一 种 是 在 光 纤 环 以 18.5dBm 的 光 功 率 实 现 了 58 豫
中 引 入 高 双 折 射 光 纤 (PMF), 利 用 自 由 光 谱 区 宽 度 的 波 长 移 动 。
不 同 波 长 信 号 在 保 偏 光 纤 中 具 有 相 对 于 高 双 折 射 光 纤 技 术 , 由
不 同 的 双 折 射 拍 长 , 实 现 周 期 性 带 于 光 纤 光 栅 的 长 度 一 般 小 与
[9]
通 特 性 , 另 一 种 采 用 光 纤 光 栅 技 10cm, 因 此 光 纤 光 栅 技 术 有 更 好 的
术 , 利 用 相 移 光 栅 、 啁 啾 光 纤 光 栅 、 集 成 性 和 稳 定 性 , 由 于 可 以 直 接 与
切 趾 光 栅 等 不 同 的 频 谱 特 性 实 现 普 通 光 纤 熔 接 , 插 入 损 耗 也 相 对 较
[10~12]
灵 活 的 滤 波 器 通 道 设 计 。 香 港 小 , 另 外 通 过 光 纤 光 栅 的 不 同 设 计
中 文 大 学 在 TOAD 中 分 别 插 入 可 以 灵 活 地 控 制 光 纤 环 形 镜 的 输
6.7m 和 13.4m 的 保 偏 光 纤 实 现 了 出 频 谱 特 性 。 如 图 7、 图 8、 图 9 给
不 同 通 道 宽 度 的 光 控 梳 状 滤 波 器 , 出 了 分 别 利 用 取 样 光 纤 光 栅 、 切 趾
图 7 取 样 光 纤 光 栅 光 纤 环 形 镜 奇 偶 通 道 滤 波 器
图 8 切 趾 布 拉 格 光 纤 光 栅 光 纤 环 形 镜 透 射 光 谱
图 9 切 趾 线 性 啁 啾 光 纤 光 栅 光 纤 环 形 镜 透 射 光 谱
布 拉 格 光 纤 光 栅 、 切 趾 线 性 啁 啾 光
纤 光 栅 实 现 的 光 纤 环 形 镜 输 出
光 谱 。
2.3 光 纤 环 形 镜 在 测 量 方 面 的 应 用
Berry 相 位 是 一 种 量 子 力 学 现
象 , 根 据 量 子 力 学 理 论 , 粒 子 在 任
何 给 定 时 间 的 状 态 可 以 用 波 函 数 ψ
描 述 。 系 统 随 时 间 演 化 , 波 函 数 也
将 相 应 变 化 , 当 系 统 经 过 一 个 绝 热
过 程 后 又 回 到 最 初 状 态 时 , 相 应 波
函 数 将 回 到 最 初 状 态 , 此 刻 波 函 数
将 与 初 态 波 函 数 存 在 一 个 相 位 差
可 表 示 为 ψ 忆 =exp(iφ)ψ。φ 为 系 统
相 移 , 包 括 两 个 部 分 :1) 动 态 相 移 ,
是 由 时 间 演 化 引 起 的 。2) 对 任 何 参
数 绝 热 行 程 引 起 的 几 何 相 移 , 标 志
物 理 系 统 的 环 境 信 息 。Berry 相 移 属
于 后 者 。 当 偏 振 光 沿 闭 合 路 径 在 动
量 空 间 传 播 , 其 偏 振 面 的 旋 转 为
Berry 相 移 的 测 量 提 供 了 机 会 。 由 于
光 纤 结 构 对 光 束 的 导 向 非 常 有 利 ,
因 此 人 们 提 出 了 应 用 光 纤 线 圈 测 量
Berry 相 移 的 思 想 。Paramasivam
等 人 利 用 图 10 所 示 实 验 装 置 将 光
纤 线 圈 插 入 光 纤 环 形 镜 中 , 通 过 分
析 光 纤 圈 的 螺 距 变 化 引 起 的 光 纤
环 形 镜 输 出 特 性 变 化 , 对 Berry 相
移 特 性 进 行 了 研 究 , 并 证 实 了 激 光
经 过 光 纤 线 圈 后 被 反 射 再 次 经 过
光 纤 线 圈 所 产 生 的 Berry 相 移 将 相
[13,14]
互 抵 消 。 在 此 基 础 上 Kuzyk G
M 提 出 了 对 位 置 敏 感 的 声 音 , 压 力
[15]
传 感 技 术 。
色 散 特 性 是 光 传 输 系 统 中 的 一
个 基 本 参 数 , 现 有 的 测 量 方 法 有 : 脉
冲 延 迟 技 术 , 调 制 相 移 技 术 , 基 带
AM 相 应 方 法 及 干 涉 方 法 等 等 。 利
用 光 纤 环 形 镜 ,Abedin KS 提 出 了
一 种 非 常 巧 妙 的 色 散 测 量 方 法 , 见
图 11。 在 光 纤 环 形 镜 的 一 侧 紧 靠 耦
合 器 位 置 加 入 一 个 周 期 性 相 位 调 制
器 , 当 单 频 光 进 入 光 纤 环 后 , 顺 时 针
方 向 传 播 的 光 首 先 经 过 相 位 调 制
器 , 频 谱 展 宽 , 然 后 经 过 被 测 的 色
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散 光 纤 ; 与 之 相 反 , 逆 时 针 方 向 传 播
的 光 则 先 通 过 色 散 器 件 再 经 过 调 制
器 展 宽 频 谱 , 相 当 于 未 受 色 散 过 程
的 影 响 。 当 调 制 频 率 匀 速 变 化 时 可
记 录 下 干 涉 输 出 强 度 随 调 制 频 率 的
变 化 为 周 期 性 振 荡 , 改 变 光 载 波 频
率 , 干 涉 条 纹 将 发 生 移 动 , 从 而 可 以
计 算 被 测 光 纤 的 色 散 量 。 这 一 方 法
无 需 高 速 的 测 试 设 备 , 可 以 获 得 较
[16]
高 的 测 试 精 度 和 测 试 范 围 。
此 外 , 以 光 纤 环 形 镜 干 涉 仪 为
基 础 加 拿 大 科 学 家 提 出 了 分 步 相
位 方 法 进 行 飞 秒 脉 冲 偏 振 模 色 散
[17]
(PMD) 测 量 。 这 一 测 量 方 法 原 理
见 图 12, 方 法 可 分 为 三 个 步 骤 :1)
在 只 有 被 测 器 件 的 情 况 下 扫 描 光
谱 ;2) 沿 坐 标 平 面 π/4 方 向 插 入 λ/4
波 片 扫 描 光 谱 ;3) 沿 坐 标 平 面 -π/4
方 向 插 入 λ/4 波 片 扫 描 光 谱 。 经 过
方 程 组 (1) 计 算 可 以 恢 复 出 双 折 射
相 位 差 δ 随 波 长 的 变 化 , 再 对 角 频
率 求 导 , 即 可 得 到 差 分 群 时 延 DGD
随 频 率 的 变 化 。
扇
设
设
设
设
设
设
设
设
设
缮
设
设
设
设
设
设
设
设
设
墒
T DUT (λ)= 1 2 (coshα-cosβ)sin2 2ρ
T QWP- (λ)=sinδsin2γ
T QWP+ (λ)= 1 2 [coshα+cosβ+
2γ(coshα-cosβ)sin 2 2γ]
(1)
式 中 T DUT ,T QWP- ,T QWP+ 分 别 为 归 一 化
透 射 光 谱 ,γ 为 双 折 射 轴 取 向 ,α 为
图 10 利 用 光 纤 环 形 镜 环 分 析 Berry 相 移
沿 双 折 射 轴 的 偏 振 相 关 损 耗 ,β 为
λ/4 波 片 光 轴 的 取 向 。
3 结 束 语
综 上 所 述 , 光 纤 环 形 镜 具 有 非
常 灵 活 和 广 泛 的 应 用 前 景 , 近 年 来
取 得 了 许 多 有 益 的 进 展 , 以 上 提 到
的 只 是 各 种 应 用 的 例 子 。 随 着 光 纤
系 统 应 用 领 域 的 开 拓 , 光 纤 环 形 镜
应 用 研 究 将 不 断 深 化 , 光 纤 环 形 镜
将 在 更 多 新 的 应 用 中 发 挥 作 用 。
图 11 利 用 非 对 称 调 制 光 纤 环 形 镜 测 量 光 纤 色 散
图 12 利 用 光 纤 环 形 镜 分 步 相 位 法 测 量 光 纤 偏 振 模 色 散
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2005 年 11 月
激 光 与 光 电 子 学 进 展
参 考 文 献
Vol.42, No.11
Nov. 2005
1Agrawal GP 著 . 贾 东 方 , 余 震 虹 等 译 . 非 线 性 光 纤 光 学 原 理 及 应 用 . 北 京 : 电 子 工 业 出 版 社
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Lett., 2003, 15(7): 960~962
一 个 光 学 芯 片 可 同 时 检 测 多 种 气 体
环 境 监 测 和 食 品 包 装 将 采 用 一 种 可 以 同 时 检 测 多 种 气 体 的 光 学 传 感 器 , 此 装 置 由 法 国 蒙 特 皮 里 埃 大 学 所 属 的
KLOE 公 司 研 制 成 功 。
此 种 K-MZS 传 感 器 是 一 种 矩 形 溶 凝 胶 芯 片 , 其 中 含 有 一 系 列 激 光 写 入 的 马 赫 - 陈 德 尔 干 涉 仪 , 每 个 干 涉 仪 检
测 一 种 气 体 , 还 有 一 个 则 用 作 参 考 、 定 标 。
每 个 干 涉 仪 的 一 个 臂 直 接 通 过 芯 片 , 另 一 臂 用 作 激 活 元 件 , 曝 露 在 大 气 中 , 其 中 含 有 与 测 得 气 体 产 生 反 应 的 化 学 药 剂 。
当 目 标 气 体 出 现 时 , 激 活 元 件 的 折 射 率 便 发 生 变 化 , 改 变 了 干 涉 仪 输 出 的 信 号 。 输 入 和 输 出 光 纤 与 芯 片 相 连 ,
以 注 入 和 收 集 光 。 整 个 装 置 长 5cm、 宽 1cm、 高 6mm。 测 量 灵 敏 , 由 于 波 导 芯 片 激 活 区 与 大 气 距 离 很 近 , 测 量 几 乎 立
即 进 行 。 这 是 光 纤 传 感 器 无 法 做 到 的 。
已 对 掺 钌 溶 凝 胶 为 基 础 的 激 活 层 探 测 氧 进 行 了 试 验 , 用 户 也 可 根 据 自 己 的 要 求 在 激 活 层 中 沉 积 适 于 其 具 体 气
体 检 测 的 激 活 元 件 。 其 优 点 是 可 将 五 六 种 传 感 器 积 成 在 同 一 基 片 上 。
其 它 可 能 的 激 活 元 件 包 括 掺 钯 的 溶 凝 胶 , 用 以 检 测 氢 的 传 感 器 正 由 用 户 试 用 。 公 司 还 在 探 索 其 它 的 可 能 应 用 , 如
生 物 光 子 学 、 食 品 包 装 、 检 测 水 中 的 碳 氢 化 合 物 污 染 等 。 ( 罗 山 编 译 )
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