JPWO2012144108A1 - 光受信方法および光受信機 - Google Patents

Abstract

多値位相光信号の受信において受信感度が偏光状態に依存しない受信を可能とするために、光受信方法は、単一偏波の多値位相光信号を偏波が互いに直交する第１の光信号および第２の光信号に分離し、第１の光信号のパワーと第２の光信号のパワーの比を計算し、第１の光信号の位相と第２の光信号の位相との差を補償量として計算し、比および補償量に基づいて第１の光信号と第２の光信号を最大比合成法にて合成し、補償量を比に基づいて変化させる。

Description

本発明は、光受信方法および光受信機に関する。

光通信システムにおける伝送容量の増大のために多値変調信号を用いたコヒーレント光通信方式が多数開示されている。その中には非特許文献１のような受信感度が偏波状態に依存しない偏波ダイバーシティ受信方式が開示されている。この方式において、偏波ビームスプリッタは、多値変調光信号を、直交する２つの偏波の光信号に分離する。９０°ハイブリッドは、分離された各光信号を局発光と混合して、それぞれ、同相成分及び直交成分に対応する光信号を出力する。フォトダイオードは、各９０°ハイブリッドの出力光信号を電気信号に変換する。
また、非特許文献１においては、入力信号の偏波状態による受信感度変化補正がデジタル信号処理で実現されている。つまり、非特許文献１においては、光信号の偏波面が偏波ビームスプリッタの基準軸と一致する様な調整は行われていない。
また、非特許文献１は、入力信号の偏波状態による受信感度の変化を補正するデジタル信号処理として、最大比合成法（Ｍａｘｉｍａｌ−Ｒａｔｉｏ−Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ、ＭＲＣ）を用いている。具体的には、非特許文献１では、各９０°ハイブリッドの出力信号Ｅｘ、Ｅｙのパワー比αと位相差δが求められる。そして、以下の（式１）に示すような最大比合成を実行することで元の光変調信号Ｅｓが再生されている。

（式１）において、ｊは、純虚数を示す。また、（式１）において、第一項目、および第二項目の

は、出力パワーが最大になるように補正する項である。
また、（式１）において、第一項目のｅ^−ｊδは、Ｅ_ｙとＥ_ｘの間の位相差を補正する項を表している。

特開２００１−３３３００５号公報 特開２０１１−００９９５６号公報

Ｓａｔｏｓｈｉ Ｔｓｕｋａｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．、"Ｏｐｔｉ ｃａｌ Ｈｏｍｏｄｙｎｅ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ Ｐｈａｓｅ ａｎｄ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ"、Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｍｏ４．２．１ Ｃａｎｎｅｓ，Ｆｒａｎｃｅ，２４−２８ Ｓｅｐｔ．２００６

しかしながら、非特許文献１に開示されたデジタル信号処理では、例えば、入力光信号のポアンカレ球上の偏光状態が偏光角θ＝０°、楕円率χ＝０近傍にあるとき、パワー比αが１となり、（式１）よりＥ_ｓ≒ｅ^−ｊδＥｘとなる。しかしながら、位相差δがランダムな値となるため、非特許文献１に開示されたデジタル信号処理では、図８のようにコンスタレーション上で信号のランダムな回転が生じ、信号の再生ができないという課題がある。なお、位相差δがランダムな値をとるのは、ポアンカレ球上の偏光状態が偏光角θ＝０°、楕円率χ＝０近傍にあるとき、各９０°ハイブリッドの出力信号において一方がほぼ送信光信号そのものであるのに対して、他方の送信信号は雑音に埋もれてしまうためである。
本発明は、多値位相光信号の受信において受信感度が偏光状態に依存しない、光受信方法および光受信機を提供することを目的とする。

本発明の光受信方法は、単一偏波の多値位相光信号を偏波が互いに直交する第１の光信号および第２の光信号に分離し、前記第１の光信号のパワーと前記第２の光信号のパワーの比を計算し、前記第１の光信号の位相と前記第２の光信号の位相との差を補償量として計算し、前記比および前記補償量に基づいて前記第１の光信号と前記第２の光信号を最大比合成法にて合成し、前記補償量を前記比に基づいて変化させる。
本発明の光受信機は、単一偏波の多値位相光信号を偏波が互いに直交する第１の光信号および第２の光信号に分離する手段と、前記第１の光信号のパワーと前記第２の光信号のパワーの比、および、前記第１の光信号の位相と前記第２の光信号の位相との差を補償量として計算する手段と、前記比および前記補償量に基づいて前記第１の光信号と前記第２の光信号を最大比合成法にて合成する手段と、を備え、前記補償量を前記比に基づいて変化させる。

本発明によれば、多値位相光信号の受信において受信感度が偏光状態に依存しない受信が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るコヒーレント光受信機の構成例を示すブロック図である。 図１に示すコヒーレント光受信機を構成する信号光受信部の構成例を示すブロック図である。 図２に示す信号光受信部を構成する偏波再生部の構成例を示すブロック図である。 図３に示す偏波再生部の動作例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るコヒーレント光受信機を構成する偏波再生部の構成例を示すブロック図である。 図５に示す偏波再生部の動作例を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る光受信機の構成例を説明するブロック図である。 非特許文献１に記載の技術を用いた場合のポアンカレ球上で偏光角θ＝０°、楕円率χ＝０近傍の偏光状態でのコンスタレーションの一例を示す。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るコヒーレント光受信機の構成例を示すブロック図である。このコヒーレント光受信機は、偏波ビームスプリッタ１と、局部発振光生成部２と、光受信部３と、を備えている。
偏波ビームスプリッタ１は、光伝送路からの多値変調光信号（または、単一偏波多値位相光信号とも呼ぶ）を、偏波が互いに直交する光信号Ｘ（第１の光信号）と光信号Ｙ（第２の光信号）に分離する。局部発振光生成部２は、例えば、分布帰還型レーザダイオードであり、連続光（以下、局発光と呼ぶ）を出力する。
信号光受信部３は、局部発振光生成部２が生成する局発光を用い、光信号Ｘ及びＹをコヒーレント検波（例えば、ホモダイン検波もしくはヘテロダイン検波）してベースバンド信号Ｘ及びＹに変換する。さらに、信号光受信部３は、ベースバンド信号Ｘ及びＹから、送信された多値変調光信号を再生し復調処理を行う。
図２は、信号光受信部３の構成例を示すブロック図である。信号光受信部３は、各９０°ハイブリッド４、５と、各光電気変換部６、７、８および９と、偏波再生部１０と、復調処理部１１と、を備えている。
９０°ハイブリッド４は、光信号Ｘと局発光を受信して、同相成分及び直交成分に対応する光信号をそれぞれ出力する。光電気変換部６は、光信号Ｘの同相成分に対応する光信号を受信して同相ベースバンド信号Ｘ_Ｉを出力する。光電気変換部７は、光信号Ｘの直交成分に対応する光信号を受信して直交ベースバンド信号Ｘ_Ｑを出力する。
９０°ハイブリッド５は、光信号Ｙと局発光を受信して、同相成分及び直交成分に対応する光信号をそれぞれ出力する。光電気変換部８は、光信号Ｙの同相成分に対応する光信号を受信して同相ベースバンド信号Ｙ_Ｉを出力する。光電気変換部９は、光信号Ｙの直交成分に対応する光信号を受信して直交ベースバンド信号Ｙ_Ｑを出力する。
偏波再生部１０は、各光電気変換部６、７、８、９から各ベースバンド信号Ｘ_Ｉ、Ｘ_Ｑ、Ｙ_Ｉ、Ｙ_Ｑを受信する。偏波再生部１０は、それぞれに含まれる信号成分に基づき、図１の偏波ビームスプリッタ１によって分岐された光信号Ｙと光信号Ｘのパワー比αと位相差δを求める。ここで、位相差とは、２つの波（光信号Ｙと光信号Ｘ）の位相の差を意味する。そして、偏波再生部１０は、求めたパワー比αおよび位相差δに基づき、送信情報に対応する同相ベースバンド信号ＥＩおよび直交ベースバンド信号Ｅ_Ｑを再生する。
復調処理部１１は、同相ベースバンド信号ＥＩおよび直交ベースバンド信号Ｅ_Ｑを復調処理して、送信情報を取り出す。
図３は、偏波再生部１０の構成例を示すブロック図である。偏波再生部１０は、係数算出部１２と、偏波再生処理部１３と、位相再生処理部１４と、を備えている。
係数算出部１２は、各ベースバンド信号Ｘ_Ｉ、Ｘ_Ｑ、Ｙ_Ｉ、Ｙ_Ｑに基づいて、光信号Ｙと光信号Ｘのパワー比αおよび位相差δを求める。
偏波再生処理部１３は、求められたパワー比αおよび位相差δに基づいて、同相ベースバンド信号Ｅ_Ｉ’および直交ベースバンド信号Ｅ_Ｑ’を算出する。
位相再生処理部１４は、信号光と局所光の中心周波数の差や、線幅の相違から生じる位相オフセットを補償した同相ベースバンド信号Ｅ_Ｉおよび直交ベースバンド信号Ｅ_Ｑを出力する。
図４は、図３に示す偏波再生部１０の動作例を示すフローチャートである。以下、必要に応じて図１〜図３を参照し、図４について説明する。
係数算出部１２は、パワー比αおよび位相差δを求めるために、Ｅ_ｘ、Ｅ_ｙの複素数振幅比ｒ、ｉｒを、以下の（式２）、（式３）を用いて各々に求める（ステップＳ１）。

ここで、Ｅ_ｘは、Ｘ_Ｉ＋ｊＸ_Ｑで表される複素数である。Ｅ_ｙは、Ｙ_Ｉ＋ｊＹ_Ｑで表される複素数である。ｊは、純虚数を表す。
係数算出部１２は、複素数振幅比ｒ、ｉｒの各平均を計算する（ステップＳ２）。ここで、平均の例としては、例えば、加法平均あるいは乗法平均を挙げることができる。
係数算出部１２は、ｒの絶対値｜ｒ｜とｉｒの絶対値｜ｉｒ｜の大小関係を比較する（ステップＳ３）。
ここで、複素数振幅比ｒ、ｉｒは、パワー比αおよび位相差δによって、各々に以下の（式４）、（式５）のように表すことができる。

上記比較結果が｜ｒ｜＜｜ｉｒ｜の場合（ステップＳ３においてＹｅｓの場合）、係数算出部１２は、上記（式４）を用いて、パワー比αおよび位相差δを算出する（ステップＳ４）。具体的には、係数算出部１２は、α＝｜ｒ｜^２／（｜ｒ｜^２＋１）およびδ＝ａｒｇ（ｒ）を計算する。
一方、上記比較結果が｜ｒ｜≧｜ｉｒ｜の場合（ステップＳ３においてＮｏの場合）、係数算出部１２は、上記（式５）を用いて、パワー比αおよび位相差δを算出する（ステップＳ５）。具体的には、係数算出部１２は、α＝１／（｜ｉｒ｜^２＋１）およびδ＝−ａｒｇ（ｉｒ）を計算する。
偏波再生処理部１３は、係数算出部１２が求めたパワー比αおよび位相差δに基づき、複素信号Ｅ_ｓ’を、以下の（式６）に示すようなアルゴリズムの最大比合成法により求める（ステップＳ６）。

偏波再生処理部１３は、複素信号Ｅ_ｓ’の実部および虚部を、各々に同相ベースバンド信号Ｅ_Ｉ’および直交ベースバンド信号Ｅ_Ｑ’として出力する。
位相再生処理部１４は、光送信信号に比べて−（１−α）δだけ回転して出力されたベースバンド信号Ｅ_ｓ’を、Ｆｅｅｄ Ｆｏｒｗａｒｄ Ｍ−ｔｈ Ｐｏｗｅｒ ＡｌｇｏｒｉｔｈｍやＤｅｃｉｓｉｏｎ−Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐなどの搬送波位相推定法によって補正する（ステップＳ７）。このとき、例えば、光同期検波における局発光の位相雑音や局発光と送信側光信号との相対的な周波数変動により位相が回転するが、これらの位相雑音や周波数変動等を同時に補償することができる。
以上説明したように、第１の実施形態によれば、パワー比αが１に近付くにつれて、（式６）における位相差補正項（ｅ^{−ｊ（１−α）δ}、ｅ^ｊαδ）は第一項よりも第二項が支配的になる。一方、パワー比αが０に近付くにつれて位相差補正項は第二項よりも第一項が支配的となる。ここで、偏光角θ＝０°、楕円率χ＝０近傍では、Ｅ_ｘ≫Ｅ_ｙでα≒１であり、式（６）に代入すると、Ｅ_ｓ’≒Ｅ_ｘとなる。すなわち、位相差δがランダムな値となってもその影響を受けることはない。従って、例えば、ポアンカレ球上の偏波状態が偏光角θ＝０°、楕円率χ＝０近傍にあるときに生じる問題を回避することが可能となる。
すなわち、以上説明した第１の実施形態によれば、多値位相光信号の受信において受信感度が偏光状態に依存しない光受信が可能となる。また、本実施形態によれば、安価で信頼性の高いデジタル領域での偏波再生を行うことが可能となる。
なお、上記（式６）における位相差補正項におけるαの代わりに、

など、ｆ（０）＝０およびｆ（１）＝１であり、さらに、αが０から１の間で連続であり且つ単調増加する関数ｆ（α）とすることができる。
また、図４におけるステップＳ２の処理は、必ずしも必要ではない。また、パワー比αおよび位相差δの平均（加法平均あるいは乗法平均）をとってもよい。
［第２の実施形態］
ところで、上述したように、位相差δがランダムな値をとらない場合、図３に示す偏波再生処理部１３からは、光送信信号に比べて−（１−α）δだけ回転された信号（合成した信号の位相を変化後の補償量により補償した信号）が出力される。ここで、図４に示す位相再生処理部１４では、周波数補償処理や位相補償処理が行われる。しかし、このような処理過程において、シンボルが誤って認識されるおそれがある。本実施形態は、この課題を解決するためのものである。
以下、本発明の第２の実施形態に係るコヒーレント光受信機について説明する。
このコヒーレント光受信機の基本構成は、図１に示す第１の実施形態の基本構成と同一である。また、このコヒーレント光受信機を構成する信号光受信部の構成も、図２に示す第１の実施形態の信号光受信部３と同一である。従って、これらの説明については省略する。
第２の実施形態の第１の実施形態に対する違いは、信号光受信部を構成する偏波再生部の構成が異なる点にある。
図５は、本発明の第２の実施形態に係るコヒーレント光受信機を構成する偏波再生部の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態の偏波再生部（図３参照）と比較し、図５に示す偏波再生部は、さらに、位相判定部１５と、位相回転部１６と、を備える。
位相判定部１５は、位相差δがランダムであるか否かを判定する。位相判定部１５は、係数算出部１２から受信するパワー比αまたは位相差δに基づいて、合成した信号の位相を、変化後の補償量により補償するか否かを判定し、判定結果を位相回転部１６へ出力する。
位相回転部１６は、上記判定結果に基づいて、光送信信号に比べて−（１−α）δだけ回転して出力されたベースバンド信号Ｅｓ’を（１−α）δだけ回転させる演算を行う処理、および、光送信信号に比べて−（１−α）δだけ回転して出力されたベースバンド信号Ｅ_ｓ’をそのまま出力する処理のいずれかを実行する。
図６は、図５に示す偏波再生部の動作例を示すフローチャートである。
位相判定部１５は、係数算出部１２から、パワー比αまたは位相差δを入力する（ステップＳ１０）。位相判定部１５は、位相差δがランダムであるか否かを判定する（ステップＳ１１）。位相判定部１５は、判定結果を、位相回転部１６へ出力する。
位相回転部１６は、入力した判定結果が、位相差δがランダムであることを示す結果であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。位相差δがランダムである場合（ステップＳ１２においてＮｏ）、位相回転部１６は、偏波再生処理部１３の出力Ｅ_ｓ’（すなわち、−（１−α）δだけ回転された信号）をそのまま後段（位相再生処理部１４）へ出力する。一方、位相差δがランダムでない場合（ステップＳ１２においてＹｅｓ）、位相回転部１６は、偏波再生処理部１３の出力Ｅ_ｓ’を（１−α）δだけ回転して出力する（ステップＳ１４）。
以上説明した第２の実施形態によれば、位相差δがランダムでない場合、位相回転部１６は、偏波再生処理部１３の出力Ｅ_ｓ’を（１−α）δだけ回転して出力する。従って、位相再生処理部１４においてシンボルが誤って認識される事態を回避することが可能となる。
なお、位相判定部１５は、位相差δを用いて上記判定を行うことができる。例えば、位相判定部１５は、位相差の時間的な差Ｄ［ｔ］＝｜δ［ｔ＋１］−δ［ｔ］｜を算出する。ここで、ｔは、時間を表す。位相判定部１５は、差Ｄ［ｔ］＞Ｄｔｈとなる回数＝所定の回数ｋ、を判定する。ここで、Ｄｔｈは、所定の差しきい値である。差Ｄ［ｔ］＞しきい値Ｄｔｈとなる回数がｋと等しい場合、位相判定部１５は、位相差δがランダムであると判定する。一方、差Ｄ［ｔ］＞しきい値Ｄｔｈとなる回数がｋと等しくない場合、位相判定部１５は、位相差δがランダムでないと判定する。例えば、位相判定部１５は、あるサンプリング時間での位相差δ［ｔ］とその次のサンプリング時間での位相差δ［ｔ＋１］の差Ｄ＝｜δ［ｔ＋１］−δ［ｔ］｜を各サンプリング時間で計算する。この値がしきい値Ｄｔｈ＝０．５を超えた回数をｋとし、ｋ＝３に達した時点で、位相差δは、ランダムであると判定する。もちろん、しきい値Ｄｔｈおよびしきい値超え回数ｋは、任意に設定することができる。
また、前記位相差の判定は逐次行うことも、あるタイムスケジュールに従って定期的に行うことも可能である。
一方、位相判定部１５は、パワー比αを用いて上記判定を行うことができる。例えば、位相判定部１５は、α≒１、０の場合には位相差δはランダムであると判定し、一方、０＜α＜１の場合には位相差δはランダムではないと判定することができる。
もちろん、上記各判定例はあくまで一例であって、位相判定部１５における判定は、これらに限定されるものではない。
［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光受信機１００の構成例を説明するブロック図である。光受信機１００は、分離手段１０１と、計算手段１０２と、合成手段１０３と、を備える。
分離手段１０１は、単一偏波の多値位相光信号を偏波が互いに直交する第１の光信号および第２の光信号に分離する。
計算手段１０２は、第１の光信号のパワーと第２の光信号のパワーの比、および、第１の光信号の位相と第２の光信号の位相との差を補償量として計算する。
合成手段１０３は、上記比および上記補償量に基づいて、第１の光信号と第２の光信号を最大比合成法にて合成する。ここで、合成手段１０３は、上記補償量を上記比に基づいて変化させる。
以上説明した第３の実施形態によれば、多値位相光信号の受信において受信感度が偏光状態に依存しない受信が可能となる。
なお、以上説明した第１〜３の実施形態は、所定のハードウェア、例えば、回路として具現化することもできる。
また、以上説明した第１〜３の実施形態は、制御プログラムに基づいて図示しないコンピュータ回路（例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ））によって制御され、動作するようにすることができる。その場合、これらの制御プログラムは、例えば、光受信機内部の記憶媒体、あるいは、外部の記憶媒体に記憶され、上記コンピュータ回路によって読み出され実行される。内部の記憶媒体としては、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やハードディスク等を挙げることができる。また、外部の記憶媒体としては、例えば、リムーバブルメディアやリムーバブルディスク等を挙げることができる。
尚、以上説明した第１〜第３の実施形態はあくまで一例であって、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。
また、本発明の「光受信方法」に関し、その処理の順番は、請求項の記載の順番に限定されることはない。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１１年４月２１日に出願された日本出願特願２０１１−０９５１９０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 偏波ビームスプリッタ
２ 局部発振光生成部
３ 信号光受信部
４、５ ９０°ハイブリッド
６、７、８、９ 光電気変換部
１０ 偏波再生部
１１ 復調処理部
１２ 係数算出部
１３ 偏波再生処理部
１４ 位相再生処理部
１５ 位相判定部
１６ 位相回転部
１００ 光受信機
１０１ 分離手段
１０２ 計算手段
１０３ 合成手段

Claims (9)

1. 単一偏波の多値位相光信号を偏波が互いに直交する第１の光信号および第２の光信号に分離し、
   前記第１の光信号のパワーと前記第２の光信号のパワーの比を計算し、
   前記第１の光信号の位相と前記第２の光信号の位相との差を補償量として計算し、
   前記比および前記補償量に基づいて前記第１の光信号と前記第２の光信号を最大比合成法にて合成し、
   前記補償量を前記比に基づいて変化させることを特徴とする光受信方法。
2. 前記第１の光信号のパワーが前記第２の光信号のパワーよりも大きい場合、前記補償量を前記差よりも小さくする請求項１記載の光受信方法。
3. 前記パワーの比をαとし、前記補償量をδとし、前記各光信号のパワーをＥｘ、Ｅｙとした場合、以下の式
   

   

   によって前記第１の光信号と前記第２の光信号を合成し、
   前記式における関数ｆ（α）は、ｆ（０）＝０およびｆ（１）＝１であり、さらに、αが０から１の間で連続であり且つ単調増加する関数であることを特徴とする請求項２記載の光受信方法。
4. 前記関数ｆ（α）は、
   

   

   のいずれかであることを特徴とする請求項３記載の光受信方法。
5. 前記合成した信号の位相を、変化後の前記補償量により補償するか否かを判断することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光受信方法。
6. 前記判断は、前記差がランダムであるか否かを示す判定結果に基づいて行われることを特徴とする請求項５記載の光受信方法。
7. 前記差がランダムであるか否かの判定は、前記パワー比および前記差の少なくとも一方に基づいて行われることを特徴とする請求項６記載の光受信方法。
8. 単一偏波の多値位相光信号を偏波が互いに直交する第１の光信号および第２の光信号に分離する手段と、
   前記第１の光信号のパワーと前記第２の光信号のパワーの比、および、前記第１の光信号の位相と前記第２の光信号の位相との差を補償量として計算する手段と、
   前記比および前記補償量に基づいて前記第１の光信号と前記第２の光信号を最大比合成法にて合成する手段と、
   を備え、
   前記補償量を前記比に基づいて変化させることを特徴とする光受信機。
9. 単一偏波の多値位相光信号を偏波が互いに直交する第１の光信号および第２の光信号に分離する機能と、
   前記第１の光信号のパワーと前記第２の光信号のパワーの比を計算する機能と、
   前記第１の光信号の位相と前記第２の光信号の位相との差を補償量として計算する機能と、
   前記比および前記補償量に基づいて前記第１の光信号と前記第２の光信号を最大比合成法にて合成する機能と、
   前記補償量を前記比に基づいて変化させる機能と、
   を、光受信機のコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラム、
   を記憶したプログラム記憶媒体。

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