JPH04313711A - 微小レンズ付光ファイバ端末 - Google Patents
微小レンズ付光ファイバ端末Info
- Publication number
- JPH04313711A JPH04313711A JP1702291A JP1702291A JPH04313711A JP H04313711 A JPH04313711 A JP H04313711A JP 1702291 A JP1702291 A JP 1702291A JP 1702291 A JP1702291 A JP 1702291A JP H04313711 A JPH04313711 A JP H04313711A
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- JP
- Japan
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- optical fiber
- lens
- optical
- fiber
- light
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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
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光スイッチ,光合分波
器,光アイソレータ等各種光学部品用及び光コネクタ用
微小レンズ付光ファイバ端末の構造に関するものである
。
器,光アイソレータ等各種光学部品用及び光コネクタ用
微小レンズ付光ファイバ端末の構造に関するものである
。
【0002】
【従来の技術】光通信の発達に伴って利用する光デバイ
ス,光学部品等の小型化が望まれており、光アイソレー
タ,光サーキュレータ,光合分波器等において光ファイ
バとの結合状態で小型化や構造の簡素化が要求されてい
る。また、近年光通信の高速・高密度システムに対して
後方反射に対して敏感ではあるが、極めて狭いスペクト
ル線幅をもつ分布帰還型レーザを用いているため、光フ
ァイバの端部が高反射減衰量をもつことも要求されるよ
うになってきた。
ス,光学部品等の小型化が望まれており、光アイソレー
タ,光サーキュレータ,光合分波器等において光ファイ
バとの結合状態で小型化や構造の簡素化が要求されてい
る。また、近年光通信の高速・高密度システムに対して
後方反射に対して敏感ではあるが、極めて狭いスペクト
ル線幅をもつ分布帰還型レーザを用いているため、光フ
ァイバの端部が高反射減衰量をもつことも要求されるよ
うになってきた。
【0003】一般に、両端に光ファイバを伴うピッグテ
イル型光アイソレータの場合、図2に示すように光ファ
イバ1から出射された光は球レンズ2もしくは屈折率分
布型レンズ3で平行光として光学デバイス4へ入射させ
、出射後に同様にして光ファイバ1へ集光することによ
り光学結合を行っている。
イル型光アイソレータの場合、図2に示すように光ファ
イバ1から出射された光は球レンズ2もしくは屈折率分
布型レンズ3で平行光として光学デバイス4へ入射させ
、出射後に同様にして光ファイバ1へ集光することによ
り光学結合を行っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図2に示すような従来
の光学結合系では光ファイバとレンズの光軸位置調整が
サブミクロンの範囲で調整しなければならない問題があ
り、組立装置等に費用がかかり、光ファイバコリメータ
製品や光ファイバ結合系を含む光学システム製品として
高価になっていた。また従来方法では、図3に示すよう
に有機物質による屈折率整合剤5を用いて反射防止を行
っているため、耐候性,耐熱性に欠点があった。
の光学結合系では光ファイバとレンズの光軸位置調整が
サブミクロンの範囲で調整しなければならない問題があ
り、組立装置等に費用がかかり、光ファイバコリメータ
製品や光ファイバ結合系を含む光学システム製品として
高価になっていた。また従来方法では、図3に示すよう
に有機物質による屈折率整合剤5を用いて反射防止を行
っているため、耐候性,耐熱性に欠点があった。
【0005】また、図3における光の入出射面6では反
射防止膜を表面に形成するために光ファイバ線を付着し
た状態で実施しなければならず、したがって光ファイバ
部分の耐熱性やガス発生のため一般に堅固な反射膜を形
成するのに用いられる約300℃に加熱しながら実施さ
れるハードコートが利用できず、イオンアシスト等によ
り補強しながら行われる低温蒸着しかできず、耐久性,
均一性,低価格化を妨げる要因になっていた。
射防止膜を表面に形成するために光ファイバ線を付着し
た状態で実施しなければならず、したがって光ファイバ
部分の耐熱性やガス発生のため一般に堅固な反射膜を形
成するのに用いられる約300℃に加熱しながら実施さ
れるハードコートが利用できず、イオンアシスト等によ
り補強しながら行われる低温蒸着しかできず、耐久性,
均一性,低価格化を妨げる要因になっていた。
【0006】加えて、光デバイスの小型化の面から十分
に光束の細い、例えば200μm以下のコリメータ光が
必要とされているが、従来技術では結合損失が大きくな
るため、細くても300μm程度しか実際的でなかった
。さらに従来の光学結合系では平行端面が必ずあり、反
射減衰量が−27dB程度までしか得られず、実際には
ファイバ先端に角度をつけてレンズ系とカップリングし
たり、結合自体複雑な構造にしなければならなかった。
に光束の細い、例えば200μm以下のコリメータ光が
必要とされているが、従来技術では結合損失が大きくな
るため、細くても300μm程度しか実際的でなかった
。さらに従来の光学結合系では平行端面が必ずあり、反
射減衰量が−27dB程度までしか得られず、実際には
ファイバ先端に角度をつけてレンズ系とカップリングし
たり、結合自体複雑な構造にしなければならなかった。
【0007】以上のような従来の光学結合系の欠点を解
決するため、近年微小ファイバコリメータ光を形成する
試みがなされている。Journal of Ligh
twave Technology Vol. LT−
5 No.9(1987)にはWilliam L.E
mkey等による単一モードファイバ(以下SMFとい
う)に多モード屈折率分布ファイバ(以下GIF)を融
着し、およそ40μmの平行光線までの微小ファイバコ
リメータ光の結合を提案しており、約3mmの空間を0
.1〜1.6dBの結合損失で光学結合が得られること
を報告している。
決するため、近年微小ファイバコリメータ光を形成する
試みがなされている。Journal of Ligh
twave Technology Vol. LT−
5 No.9(1987)にはWilliam L.E
mkey等による単一モードファイバ(以下SMFとい
う)に多モード屈折率分布ファイバ(以下GIF)を融
着し、およそ40μmの平行光線までの微小ファイバコ
リメータ光の結合を提案しており、約3mmの空間を0
.1〜1.6dBの結合損失で光学結合が得られること
を報告している。
【0008】しかしSMFとGIFを用いる構造では、
光束の拡大幅はGIFのコア直径以上には理論的に不可
能であり、50〜62.5μm が最大限界でこれ以上
に大きくとれず、3mm以上の距離では大幅な結合損失
劣化を生じるため光学結合距離の自由度がなく、また製
造工程においてGIFの屈折率分布状態や波長ピッチの
調整を個々に測定しながら製作しなければならず、価格
的に高価となり量産には不適当である。これに対して、
特開昭61−264304号公報にはKevin J.
WarbrickがSMFと非ドープシリカファイバ
レンズ光学系を提案している。
光束の拡大幅はGIFのコア直径以上には理論的に不可
能であり、50〜62.5μm が最大限界でこれ以上
に大きくとれず、3mm以上の距離では大幅な結合損失
劣化を生じるため光学結合距離の自由度がなく、また製
造工程においてGIFの屈折率分布状態や波長ピッチの
調整を個々に測定しながら製作しなければならず、価格
的に高価となり量産には不適当である。これに対して、
特開昭61−264304号公報にはKevin J.
WarbrickがSMFと非ドープシリカファイバ
レンズ光学系を提案している。
【0009】しかしこの場合もレンズ部分の曲率を、回
折損失の理由からレンズ半径を62.5μmに制限して
いるため、得られる光束は約60μm程度であり、構造
的にシリカファイバ直径の高々80%程度が限界であり
、光学デバイスを挿入するには狭すぎる。すなわち60
μm程度の光束では逆に細すぎてガウシァンビームを結
合するのに適さない。したがって60〜200μmの光
線をいかに実現するかが実際上の課題となる。
折損失の理由からレンズ半径を62.5μmに制限して
いるため、得られる光束は約60μm程度であり、構造
的にシリカファイバ直径の高々80%程度が限界であり
、光学デバイスを挿入するには狭すぎる。すなわち60
μm程度の光束では逆に細すぎてガウシァンビームを結
合するのに適さない。したがって60〜200μmの光
線をいかに実現するかが実際上の課題となる。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、実質的にはS
MFと非ドープシリカファイバ光線拡大部分及び非ドー
プシリカ球レンズから構成される光学結合用光ファイバ
端末を提案するものである。具体的な構造は、第一の光
ファイバとコア部分の屈折率と等価で同一外径からなる
第二の光ファイバを接合することから構成される。第二
の光ファイバは、先端にその外径よりも大きな直径を有
する球レンズが形成されており、球レンズ部分を透過す
る段階で光束を少なくとも光ファイバ直径の半分以上で
ある62.5μm、好ましくは80μm以上に拡大し、
また球レンズ曲面部から平行光束もしくは用途に応じた
出射角度をもつ光に変換する作用を示すため、曲率半径
が少なくとも200μmであることから構成する。
MFと非ドープシリカファイバ光線拡大部分及び非ドー
プシリカ球レンズから構成される光学結合用光ファイバ
端末を提案するものである。具体的な構造は、第一の光
ファイバとコア部分の屈折率と等価で同一外径からなる
第二の光ファイバを接合することから構成される。第二
の光ファイバは、先端にその外径よりも大きな直径を有
する球レンズが形成されており、球レンズ部分を透過す
る段階で光束を少なくとも光ファイバ直径の半分以上で
ある62.5μm、好ましくは80μm以上に拡大し、
また球レンズ曲面部から平行光束もしくは用途に応じた
出射角度をもつ光に変換する作用を示すため、曲率半径
が少なくとも200μmであることから構成する。
【0011】
【実施例】図1(a)は本発明の光ファイバ端末先端部
の断面図である。先端の非ドープシリカファイバレンズ
導入部7、SMFファイバ本線8、先端部保護用フェル
ール9、先端球レンズ10から構成する。図1(b)は
光の透過状態を示し、SMFを出射した光のビームウェ
ィスト点までの距離をzとすれば、波長λにおけるSi
O2の屈折率をnとして、ファイバレンズ導入部および
球レンズ部分を伝播することによるガウシアンビームの
広がり度合いは数1で示される。
の断面図である。先端の非ドープシリカファイバレンズ
導入部7、SMFファイバ本線8、先端部保護用フェル
ール9、先端球レンズ10から構成する。図1(b)は
光の透過状態を示し、SMFを出射した光のビームウェ
ィスト点までの距離をzとすれば、波長λにおけるSi
O2の屈折率をnとして、ファイバレンズ導入部および
球レンズ部分を伝播することによるガウシアンビームの
広がり度合いは数1で示される。
【数1】
【0012】すなわち、第二の光ファイバの長さLを制
御することから光ファイバ直径もしくは球レンズ部分の
広がりも考慮すれば、それ以上の出射光束にまで拡大で
き、結果としてビームウェィスト距離を大きくしても僅
かな結合損失で光学結合が達成できるようになる。図4
は最大結合効率がとれる球レンズの曲率半径R,Lおよ
びビームウェィストまでの距離zを算出したものである
。この図から分かるように、z=2.5mm以上(すな
わちレンズ間距離:2z=5mm以上)が実現できるの
は、L≧1000μmで、球レンズの曲率Rも250μ
m以上の条件が満たされるときである。このとき、出射
光の光束は90μm以上となり、従来のファイバコリメ
ータより光束が太くできるので、それだけレンズ間距離
が広げられる。
御することから光ファイバ直径もしくは球レンズ部分の
広がりも考慮すれば、それ以上の出射光束にまで拡大で
き、結果としてビームウェィスト距離を大きくしても僅
かな結合損失で光学結合が達成できるようになる。図4
は最大結合効率がとれる球レンズの曲率半径R,Lおよ
びビームウェィストまでの距離zを算出したものである
。この図から分かるように、z=2.5mm以上(すな
わちレンズ間距離:2z=5mm以上)が実現できるの
は、L≧1000μmで、球レンズの曲率Rも250μ
m以上の条件が満たされるときである。このとき、出射
光の光束は90μm以上となり、従来のファイバコリメ
ータより光束が太くできるので、それだけレンズ間距離
が広げられる。
【0013】以上から、実質的にはレンズ出射端でガウ
ス分布光の光束の直径が80μm以上であれば本発明の
目的とする高結合効率を得ることが可能となり、その光
を平行光線もしくは有限のビームウェィストをもつよう
に集束するには、光集束用球レンズの曲率半径が少なく
とも200μmであることが必要である。これは図1(
b)においてSMFからビームウェィストまでの光の光
線行列から推定でき、数2の関係式から導かれる。
ス分布光の光束の直径が80μm以上であれば本発明の
目的とする高結合効率を得ることが可能となり、その光
を平行光線もしくは有限のビームウェィストをもつよう
に集束するには、光集束用球レンズの曲率半径が少なく
とも200μmであることが必要である。これは図1(
b)においてSMFからビームウェィストまでの光の光
線行列から推定でき、数2の関係式から導かれる。
【数2】
【0014】さらにガウシアンビームの光線式から数3
となり、ビームウェィストまでの距離zが算定できる。
となり、ビームウェィストまでの距離zが算定できる。
【数3】
ただし、a=λ/πnw02である。さらに、数2,数
3およびガウシアンビームの光線式から、
3およびガウシアンビームの光線式から、
【数4】
が導入でき、図4の結果が得られる。
【0015】図5は球レンズ出射後のZ軸方向のビーム
半径を示す。R=165μmでは出射端で60μmであ
るが、ビームウェィスト位置の光束(=2Wz)は約3
0μmに絞られ本発明の主旨からそれるが、R=200
μm以上では適度な光束となり、例えばR=265μm
では2Wz=92μm、2z=5.2mmとなり、さら
にR=340μmでは2Wz=118μm、2z=9.
0mmとなり、必要な条件が満たされる。
半径を示す。R=165μmでは出射端で60μmであ
るが、ビームウェィスト位置の光束(=2Wz)は約3
0μmに絞られ本発明の主旨からそれるが、R=200
μm以上では適度な光束となり、例えばR=265μm
では2Wz=92μm、2z=5.2mmとなり、さら
にR=340μmでは2Wz=118μm、2z=9.
0mmとなり、必要な条件が満たされる。
【0016】図6は本発明のL=950μm、R=26
5μm、2z=7.0mmの球レンズシリカファイバを
コア直径10μmのSMFに融着した一対の光フアイバ
端末を対向させ、X軸方向の変位に対する結合損失を実
測したものである。互いに反射防止膜を実装しない状態
で最小0.4dBであり、前後20μm程度の位置ずれ
は許容できることが確認できた。反射減衰量は図1(c
)のように反射防止膜11と屈折率整合剤5を施して−
45dBが達成でき、従来の無反射コネクターと同等な
数値が得られた。このとき、従来の無反射コネクターは
互いに物理的につき合わせるため何度も脱着を繰り返す
と性能劣化が生じるが、本発明のファイバ系では光線を
空間伝播させるので物理的な損傷はまったく生じない。
5μm、2z=7.0mmの球レンズシリカファイバを
コア直径10μmのSMFに融着した一対の光フアイバ
端末を対向させ、X軸方向の変位に対する結合損失を実
測したものである。互いに反射防止膜を実装しない状態
で最小0.4dBであり、前後20μm程度の位置ずれ
は許容できることが確認できた。反射減衰量は図1(c
)のように反射防止膜11と屈折率整合剤5を施して−
45dBが達成でき、従来の無反射コネクターと同等な
数値が得られた。このとき、従来の無反射コネクターは
互いに物理的につき合わせるため何度も脱着を繰り返す
と性能劣化が生じるが、本発明のファイバ系では光線を
空間伝播させるので物理的な損傷はまったく生じない。
【0017】また、従来の微小ファイバコリメータは、
高い結合効率で伝播できる距離が3mm以下程度であり
、本発明の3〜10mmの実際的な距離よりも短い上に
、図7,図8に示されるようにレンズ曲率の小さい光束
の細い条件ほど許容位置ずれが狭くなっており、本発明
の数値範囲において光線方向(Z軸方向)のみならず光
線と直角な方向(XY軸)に対して広い許容領域がとれ
る効果と相反する。すなわち、図7はレンズ曲率が大き
いほどZ軸方向の結合損失に対する許容位置が緩やかで
あることが前述の計算式から推定できる。
高い結合効率で伝播できる距離が3mm以下程度であり
、本発明の3〜10mmの実際的な距離よりも短い上に
、図7,図8に示されるようにレンズ曲率の小さい光束
の細い条件ほど許容位置ずれが狭くなっており、本発明
の数値範囲において光線方向(Z軸方向)のみならず光
線と直角な方向(XY軸)に対して広い許容領域がとれ
る効果と相反する。すなわち、図7はレンズ曲率が大き
いほどZ軸方向の結合損失に対する許容位置が緩やかで
あることが前述の計算式から推定できる。
【0018】図8は同じく、レンズ曲率とX軸方向の位
置ずれに関する許容範囲を表す。明らかに曲率が大きく
なるにつれて許容位置が緩やかとなり、製造が容易にな
る。図9は、上記本発明光学系のX軸方向位置ずれに対
する結合損失を実測したもので■、計算から推定した場
合■と比較して図示したものである。なお同時に市販の
屈折率分布型レンズを用いたコリメータ系の場合■も図
示した。本発明の結合系の方が自由度が狭いが、市販の
光学系では光束が700μmもあり、本発明とは主旨が
まったく異なるものである。この図で分かることは、本
発明の結合系が市販のコリメータ結合系と比較して結合
損失が同等もしくはそれ以下にもできることである。
置ずれに関する許容範囲を表す。明らかに曲率が大きく
なるにつれて許容位置が緩やかとなり、製造が容易にな
る。図9は、上記本発明光学系のX軸方向位置ずれに対
する結合損失を実測したもので■、計算から推定した場
合■と比較して図示したものである。なお同時に市販の
屈折率分布型レンズを用いたコリメータ系の場合■も図
示した。本発明の結合系の方が自由度が狭いが、市販の
光学系では光束が700μmもあり、本発明とは主旨が
まったく異なるものである。この図で分かることは、本
発明の結合系が市販のコリメータ結合系と比較して結合
損失が同等もしくはそれ以下にもできることである。
【0019】
【発明の効果】本発明は、SMFと同一外径の光導入部
で融着し、反対側端部の球レンズで出射光を集束する一
体構造からなり、接着方式の従来の結合系とは信頼性の
面で優れているほか、光線通路に平行界面がないので反
射減衰量がほとんどない。また、一体構造であるからフ
ァイバ−レンズ間の光軸調整が必要なく、他の光学系へ
結合するのが容易であるため、特に光アイソレータ,光
サーキュレータ,光スイッチ,光合分波器,光コネクタ
等に最適である。さらに、曲率を調整することから光フ
ァィバアレイ結合部にも適用でき、広範な用途に応用で
きる。
で融着し、反対側端部の球レンズで出射光を集束する一
体構造からなり、接着方式の従来の結合系とは信頼性の
面で優れているほか、光線通路に平行界面がないので反
射減衰量がほとんどない。また、一体構造であるからフ
ァイバ−レンズ間の光軸調整が必要なく、他の光学系へ
結合するのが容易であるため、特に光アイソレータ,光
サーキュレータ,光スイッチ,光合分波器,光コネクタ
等に最適である。さらに、曲率を調整することから光フ
ァィバアレイ結合部にも適用でき、広範な用途に応用で
きる。
【図1】本発明の光ファイバ端末を示す断面図。
【図2】光フアイバ光学系の概略図。
【図3】従来の光ファイバコリメータの断面図。
【図4】本発明における最大結合効率がとれる光ファイ
バコリメータの計算値を示す。
バコリメータの計算値を示す。
【図5】本発明の球レンズ出射後のZ軸方向のビーム半
径を示す。
径を示す。
【図6】本発明の光ファイバコリメータのX軸方向の変
位に対する結合損失の実測値を示す。
位に対する結合損失の実測値を示す。
【図7】本発明によるレンズ曲率とZ軸方向の位置ずれ
に対する結合損失の計算値を示す。
に対する結合損失の計算値を示す。
【図8】本発明によるレンズ曲率とX軸方向の位置ずれ
に対する結合損失の計算値を示す。
に対する結合損失の計算値を示す。
【図9】本発明による光学系のX軸方向位置ずれに対す
る結合損失の計算値と実測値の比較を示す。
る結合損失の計算値と実測値の比較を示す。
1 光ファイバ
2 球レンズ
3 屈折率分布型レンズ
4 光学デバイス
5 屈折率整合剤
7 SiO2ファイバレンズ
8 ピッグテールファイバ本線
9 先端部保護用フェルール
10 先端レンズ
11 反射防止膜
Claims (1)
- 【請求項1】 第一の光ファイバと、この光ファイバ
のコア部と等価で単一屈折率をもち同一外径からなる光
導入部と光集束用球レンズ部で形成された第二の光ファ
イバが、第一の光ファイバとその光導入側で融着された
構造において、第二の光ファイバの長さが、これを伝播
してきたガウス分布光の光束が出射端で少なくとも80
μm以上に拡大する長さを有し、かつ光集束用球レンズ
の曲率半径が200μm以上であることを特徴とした微
小レンズ付光ファイバ端末。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3017022A JP2992093B2 (ja) | 1991-01-16 | 1991-01-16 | 微小レンズ付光ファイバ端末 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3017022A JP2992093B2 (ja) | 1991-01-16 | 1991-01-16 | 微小レンズ付光ファイバ端末 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04313711A true JPH04313711A (ja) | 1992-11-05 |
| JP2992093B2 JP2992093B2 (ja) | 1999-12-20 |
Family
ID=11932373
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3017022A Expired - Fee Related JP2992093B2 (ja) | 1991-01-16 | 1991-01-16 | 微小レンズ付光ファイバ端末 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2992093B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003528347A (ja) * | 2000-03-17 | 2003-09-24 | コーニング インコーポレイテッド | 光導波路レンズ及び作成方法 |
| WO2008117517A1 (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-02 | Mitsubishi Cable Industries, Ltd. | レーザーガイド用光ファイバ及びそれを備えたレーザーガイド |
| US10946481B2 (en) | 2016-09-14 | 2021-03-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Laser processing device |
| CN117849952A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-04-09 | 广东工业大学 | 一种蓝宝石光纤到石英光纤的耦合系统 |
-
1991
- 1991-01-16 JP JP3017022A patent/JP2992093B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003528347A (ja) * | 2000-03-17 | 2003-09-24 | コーニング インコーポレイテッド | 光導波路レンズ及び作成方法 |
| WO2008117517A1 (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-02 | Mitsubishi Cable Industries, Ltd. | レーザーガイド用光ファイバ及びそれを備えたレーザーガイド |
| JP2008242012A (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-09 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | レーザーガイド用光ファイバ及びそれを備えたレーザーガイド |
| US8023785B2 (en) | 2007-03-27 | 2011-09-20 | Mitsubishi Cable Industries, Ltd. | Laser guide optical fiber and laser guide including the same |
| US10946481B2 (en) | 2016-09-14 | 2021-03-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Laser processing device |
| CN117849952A (zh) * | 2024-03-08 | 2024-04-09 | 广东工业大学 | 一种蓝宝石光纤到石英光纤的耦合系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2992093B2 (ja) | 1999-12-20 |
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