(57)【要約】【課題】波長可変半導体レーザの波長モニタ感度を向上させることができ、特に光フィルタ内の光線伝搬角度が大きくなる半導体レーザの波長モニタ感度を向上させる波長制御用モニタを提供する。【解決手段】半導体基板に並列に形成された出射波長可変の複数の半導体レーザから出射されるレーザ光を、電気光学効果を有し入射レーザ光の周波数に対して周期的な透過率を有する光フィルタの媒質に結晶のｚ軸方向に透過させ、媒質を透過したレーザ光の光強度を光検出器で検出し、光検出器で検出された光強度により半導体レーザの出射レーザ光の波長をモニタする波長制御用モニタであって、光フィルタの周期的な透過率特性に周波数方向に振動を与えて変調し、光検出器で検出された光強度の直流成分と振動による交流成分に従って、半導体レーザの出射レーザ光の波長をモニタする。【選択図】図１
2016143716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に並列に形成された出射波長可変の複数の半導体レーザと、
前記各半導体レーザから出射されるレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、
コリメートされたレーザ光が入射され内部を伝搬し、レーザ光が結晶のｚ軸方向に透過するように形成された媒質を含み、前記媒質が、電気光学効果を有し、入射レーザ光の周波数に対して周期的な透過率を有する光フィルタと、
前記各半導体レーザからの出射レーザ光を前記光フィルタでそれぞれ予め設定された光線伝搬角度で伝搬させるように固定するレーザ光方向固定機構と、
前記光フィルタを透過したレーザ光を受光して光強度を示す検出信号を出力する光検出器と、
前記光フィルタの周期的な透過率特性に周波数方向に変動を与えて変調させる透過率特性変調機構と、
前記光検出器からの検出信号の直流成分と前記透過率特性変調機構による交流成分に従って、出射波長を安定化するために前記各半導体レーザをフィードバック制御する波長安定化制御器と、
を備えた波長制御用モニタ。
【請求項２】
前記レーザ光方向固定機構における前記光フィルタでの前記予め設定された光線伝搬角度が次式の解、
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
ｆｋ＝ｆＭＯＮ±Ｆ
但し、
θｋ：ｋ番目(ｋ＝１，２，３…)の前記半導体レーザの出射レーザ光の前記光フィルタ内の光線伝搬角度(ｒａｄ)、
ｍｋ：ｋ番目の前記半導体レーザの出射レーザ光の前記光フィルタ内の干渉次数であり、予め定められたモニタ周波数ｆＭＯＮに対して前記コリメートレンズの中心に近い半導体レーザ順に小さく設定されたもの、
ｃ：光速、
ｎλ：波長λにおける前記光フィルタの屈折率、
Ｌｅｔａｌｏｎ：前記光フィルタの透過方向の長さ、
ｆｋ：前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数、
をそれぞれ示し、ｆｋは全てのｋにおいて、モニタしたいモニタ周波数ｆＭＯＮから、前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数と、前記光フィルタの透過率の周波数に対する傾きの絶対値が最大となる周波数との差Ｆを加算または減算した値、
となる請求項１に記載の波長制御用モニタ。
【請求項３】
前記透過率特性変調機構が、前記光フィルタの媒質のレーザ光の透過方向に平行な互いに対向する一対の側面にそれぞれ設けられた電極と、前記電極間に交流電圧を印加する交流電源と、からなる請求項２に記載の波長制御用モニタ。
【請求項４】
前記波長安定化制御器が、
前記光検出器からの検出信号の前記交流電源の交流周波数成分を通し、直流成分をカットするハイパスフィルタ(ＨＰＦ)と、
前記ＨＰＦを透過した信号の振幅を検知する振幅検知器と、
前記光検出器からの検出信号の前記交流電源の交流周波数成分をカットし、直流成分を通すローパスフィルタ(ＬＰＦ)と、
前記振幅検知器で検知された振幅と前記ＬＰＦを透過した信号に従って前記各半導体レーザの波長を安定化制御するフィードバック制御器と、
を含み、
前記フィードバック制御器は、前記ＬＰＦを透過した信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係に従って、前記各半導体レーザの出射波長を粗調し、前記ＨＰＦを透過した交流成分の信号の振幅が最大となるように前記各半導体レーザの出射波長を微調する請求項３に記載の波長制御用モニタ。
【請求項５】
前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数ｆｋとモニタ周波数ｆＭＯＮを一致させ、前記レーザ光方向固定機構における前記光フィルタでの前記予め設定された光線伝搬角度が以下の式の解となり、
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
ｆｋ＝ｆＭＯＮ
前記波長安定化制御器が、
前記光検出器からの検出信号の前記交流電源の交流周波数成分をカットし、前記交流電圧の周波数の２倍の周波数成分を通し、直流成分をカットするハイパスフィルタ(ＨＰＦ)と、
前記ＨＰＦを透過した信号の振幅を検知する振幅検知器と、
前記光検出器からの検出信号の前記交流電源の交流周波数成分をカットし、直流成分を通すローパスフィルタ(ＬＰＦ)と、
前記振幅検知器で検知された振幅と前記ＬＰＦを透過した信号に従って前記各半導体レーザの波長を安定化制御するフィードバック制御器と、
を含み、
前記フィードバック制御器は、前記ＬＰＦを透過した信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係に従って、前記各半導体レーザの出射波長を粗調し、前記ＨＰＦを透過した交流成分の信号の振幅が最小となるように前記各半導体レーザの出射波長を微調する請求項３に記載の波長制御用モニタ。
【請求項６】
前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数ｆｋとモニタ周波数ｆＭＯＮを一致させ、前記レーザ光方向固定機構における前記光フィルタでの前記予め設定された光線伝搬角度が以下の式の解となり、
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
ｆｋ＝ｆＭＯＮ
前記波長安定化制御器が、
前記光検出器からの検出信号と前記光フィルタに印加される交流電圧から同期検波を行い誤差信号を出力する同期検波器と、
前記同期検波器から出力される前記誤差信号に従って前記各半導体レーザの出射波長を安定化制御するフィードバック制御器と、
を含み、
前記フィードバック制御器は、前記誤差信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係を従って、誤差が最小となるように前記各半導体レーザの出射波長を制御する請求項３に記載の波長制御用モニタ。
【請求項７】
前記光フィルタの前記媒質が水晶製エタロンまたはニオブ酸リチウム製エタロンからなる請求項１から６までのいずれか１項に記載の波長制御用モニタ。
【請求項８】
前記光フィルタの前記媒質が水晶製エタロンまたはニオブ酸リチウム製エタロンからなり、
前記透過率特性変調機構が、前記光フィルタに接続されて前記媒質を固有振動数で自己発振させる負帰還増増幅回路からなる請求項２に記載の波長制御用モニタ。
【請求項９】
前記波長安定化制御器が、
前記光検出器からの検出信号の前記光フィルタの媒質と前記負帰還増幅回路で決まる固有振動周波数成分を通し、直流成分をカットするハイパスフィルタ(ＨＰＦ)と、
前記ＨＰＦを透過した信号の振幅を検知する振幅検知器と、
前記光検出器からの検出信号の前記固有振動周波数成分をカットし、直流成分を通すローパスフィルタ(ＬＰＦ)と、
前記振幅検知器で検知された振幅と前記ＬＰＦを透過した信号に従って前記各半導体レーザの波長を安定化制御するフィードバック制御器と、
を含み、
前記フィードバック制御器は、前記ＬＰＦを透過した信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係に従って、前記各半導体レーザの出射波長を粗調し、前記ＨＰＦを透過した前記固有振動周波数成分の信号の振幅が最大となるように前記各半導体レーザの出射波長を微調する請求項８に記載の波長制御用モニタ。
【請求項１０】
前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数ｆｋとモニタ周波数ｆＭＯＮを一致させ、前記レーザ光方向固定機構における前記光フィルタでの前記予め設定された光線伝搬角度が以下の式の解となり、
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
ｆｋ＝ｆＭＯＮ
前記波長安定化制御器が、
前記光検出器からの検出信号の前記光フィルタの媒質と前記負帰還増幅回路で決まる固有振動周波数成分をカットし、前記固有振動周波数の２倍の周波数成分を通し、直流成分をカットするハイパスフィルタ(ＨＰＦ)と、
前記ＨＰＦを透過した信号の振幅を検知する振幅検知器と、
前記光検出器からの検出信号の前記固有振動周波数成分をカットし、直流成分を通すローパスフィルタ(ＬＰＦ)と、
前記振幅検知器で検知された振幅と前記ＬＰＦを透過した信号に従って前記各半導体レーザの波長を安定化制御するフィードバック制御器と、
を含み、
前記フィードバック制御器は、前記ＬＰＦを透過した信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係に従って、前記各半導体レーザの出射波長を粗調し、前記ＨＰＦを透過した固有振動周波数成分の信号の振幅が最小となるように前記各半導体レーザの出射波長を微調する請求項８に記載の波長制御用モニタ。
【請求項１１】
前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数ｆｋとモニタ周波数ｆＭＯＮを一致させ、前記レーザ光方向固定機構における前記光フィルタでの前記予め設定された光線伝搬角度が以下の式の解となり、
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
ｆｋ＝ｆＭＯＮ
前記波長安定化制御器が、
前記光検出器からの検出信号と前記固有振動周波数から同期検波を行い誤差信号を出力する同期検波器と、
前記同期検波器から出力される前記誤差信号に従って前記各半導体レーザの出射波長を安定化制御するフィードバック制御器と、
を含み、
前記フィードバック制御器は、前記誤差信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係を従って、誤差が最小となるように前記各半導体レーザの出射波長を制御する請求項８に記載の波長制御用モニタ。
【請求項１２】
前記レーザ光方向固定機構が、前記複数の半導体レーザの出射レーザ光を前記コリメートレンズに導く複数の光導波路からなり、各光導波路の出射位置が前記光フィルタでの前記予め設定された光線伝搬角度に従って定められている請求項１から１１までのいずれか１項に記載の波長制御用モニタ。
【請求項１３】
前記レーザ光方向固定機構が、前記複数の半導体レーザの出射レーザ光を前記コリメートレンズに導く複数の光導波路と、前記複数の光導波路から出射するレーザ光を前記光フィルタへ前記光フィルタ内で前記予め設定された光線伝搬角度で伝搬されるように導く形状の前記コリメートレンズからなる請求項１から１１までのいずれか１項に記載の波長制御用モニタ。
【請求項１４】
前記レーザ光方向固定機構が、前記複数の半導体レーザが、出射レーザ光が前記光フィルタ内において前記予め設定された光線伝搬角度で伝搬される配置位置に固定されていることからなる請求項１から１１までのいずれか１項に記載の波長制御用モニタ。
【請求項１５】
前記光フィルタに入射する複数のレーザ光が、前記媒質に対して絶対角が０．７度以上の入射角である請求項１から１４までのいずれか１項に記載の波長制御用モニタ。
【請求項１６】
前記複数の半導体レーザを波長可変半導体レーザ光源とし、前記波長可変半導体レーザ光源の後面側で請求項１から１５までのいずれか１項に記載の波長制御用モニタを構成した光モジュール。
【請求項１７】
半導体基板に並列に形成された出射波長可変の複数の半導体レーザから出射されるレーザ光を、電気光学効果を有し入射レーザ光の周波数に対して周期的な透過率を有する光フィルタの媒質に結晶のｚ軸方向に透過させ、前記媒質を透過したレーザ光の光強度を光検出器で検出し、前記光検出器で検出された光強度により前記半導体レーザの出射レーザ光の波長をモニタする波長モニタ方法であって、
前記光フィルタの周期的な透過率特性に周波数方向に振動を与えて変調させ、前記光検出器で検出された光強度の直流成分と前記振動による交流成分に従って、半導体レーザの出射レーザ光の波長をモニタする波長モニタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長制御用モニタおよびこれに関連する光モジュール、波長モニタ方法関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信の分野において、光伝送方式の高速・大容量化が進んでおり、その中核技術として、１本の光ファイバで光多重伝送する波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing、ＷＤＭ)方式が普及している。このＷＤＭシステムは安定的な運営を実施するため、予期せぬ信号光源の停止に備えて、発振波長が同一の予備信号光源を確保する必要がある。このため、保守コストが増加する。このコストを抑えるために、１つの信号光源で複数種の波長のレーザ光を出力できる光波長可変型の光源の需要が高まっている。
【０００３】
波長可変光源は、光信号の波長が長期にわたって安定していることが要求される。このため、半導体レーザからの出射光をモニタする波長モニタの機能を設けた光源が開発されている。代表的な波長可変光源として、半導体レーザの温度を変化させることで発振波長を可変にする方式が提案されている。本方式の半導体レーザの発振波長の可変幅は動作温度範囲によって決定され、高々２−３ｎｍ程度でしかないため、波長可変幅を大きくするために複数個の半導体レーザを設けた構造が多く用いられている。
【０００４】
また、波長可変光源の波長モニタに関する代表的な従来技術として、半導体レーザの前面から出射して光ファイバへ出力される光を、ビームスプリッタなどで一部取り出して、エタロンなどの光フィルタに入射する構造が提案されている(例えば下記特許文献１参照)。
また、出射光位置を不等間隔に配置した複数の半導体レーザから後面方向への出射光を光フィルタに入射する構造が提案されている(例えば下記特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８５０７４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２９２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
波長モニタで、光フィルタとして用いられるエタロンは、光の入射角度によってその透過特性が変化する。波長可変半導体レーザの後面方向への出射光を用いて波長モニタする従来手法では、アレイ状に配置された半導体レーザのうち端に位置する半導体レーザで、出射光位置がレンズの中心軸から大きくシフトするため、レンズ透過後のコリメートビーム伝搬角が傾き、エタロンへの光線入射角度が大きくなる。エタロンは伝搬光の内部多重反射の干渉によって周期的な透過率の周波数依存性をもつフィルタとして機能するため、エタロンへの光線入射角度が大きくなると、多重干渉効果が弱くなり、エタロン透過特性の波長依存性が小さくなる。
【０００７】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、波長可変半導体レーザの波長モニタ感度を向上させることができる波長制御用モニタ等を提供することを目的とする。特に、エタロン等からなる光フィルタへの光線入射角度ひいては光フィルタ内の光線伝搬角度が大きくなる半導体レーザの波長モニタ感度を向上させた波長制御用モニタ等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、半導体基板と、前記半導体基板に並列に形成された出射波長可変の複数の半導体レーザと、前記各半導体レーザから出射されるレーザ光をコリメートするコリメートレンズと、コリメートされたレーザ光が入射され内部を伝搬し、レーザ光が結晶のｚ軸方向に透過するように形成された媒質を含み、前記媒質が、電気光学効果を有し、入射レーザ光の周波数に対して周期的な透過率を有する光フィルタと、前記各半導体レーザからの出射レーザ光を前記光フィルタでそれぞれ予め設定された光線伝搬角度で伝搬させるように固定するレーザ光方向固定機構と、前記光フィルタを透過したレーザ光を受光して光強度を示す検出信号を出力する光検出器と、前記光フィルタの周期的な透過率特性に周波数方向に変動を与えて変調させる透過率特性変調機構と、前記光検出器からの検出信号の直流成分と前記透過率特性変調機構による交流成分に従って、出射波長を安定化するために前記各半導体レーザをフィードバック制御する波長安定化制御器と、を備えた波長制御用モニタにある。
前記レーザ光方向固定機構における前記光フィルタでの前記予め設定された光線伝搬角度が次式の解、
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
ｆｋ＝ｆＭＯＮ±Ｆ
但し、
θｋ：ｋ番目(ｋ＝１，２，３…)の前記半導体レーザの出射レーザ光の前記光フィルタ内の光線伝搬角度(ｒａｄ)、
ｍｋ：ｋ番目の前記半導体レーザの出射レーザ光の前記光フィルタ内の干渉次数であり、予め定められたモニタ周波数ｆＭＯＮに対して前記コリメートレンズの中心に近い半導体レーザ順に小さく設定されたもの、
ｃ：光速、
ｎλ：波長λにおける前記光フィルタの屈折率、
Ｌｅｔａｌｏｎ：前記光フィルタの透過方向の長さ、
ｆｋ：前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数、
をそれぞれ示し、ｆｋは全てのｋにおいて、モニタしたいモニタ周波数ｆＭＯＮ(例えばＩＴＵ−Ｔ(International Telecommunication Union-Telecommunication sector)で規定される波長グリッドなど)から、前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数と、前記光フィルタの透過率の周波数に対する傾きの絶対値が最大となる周波数(正方向と負方向は任意)との差Ｆを加算または減算した値、
となる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明では、波長可変半導体レーザの波長モニタ感度を向上させることができる波長制御用モニタ等を提供することができる。特に、エタロン等からなる光フィルタへの光線入射角度ひいては光フィルタ内の光線伝搬角度が大きくなる半導体レーザの波長モニタ感度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の一実施の形態による波長制御用モニタの構成図である。
【図２】この発明の一実施の形態による波長制御用モニタの各半導体レーザのＬＤ出射点位置とコリメータ伝搬角の一例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１による波長制御用モニタにおける交流電源を駆動しない時のＩＴＵ−Ｔグリッドからの相対周波数に対する光検出器で検出される光強度の特性を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による波長制御用モニタにおける配列の内側の半導体レーザのＩＴＵ−Ｔグリッドからの相対周波数に対する光検出器で検出される光強度の特性を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１による波長制御用モニタにおける配列の外側の半導体レーザのＩＴＵ−Ｔグリッドからの相対周波数に対する光検出器で検出される光強度の特性を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２による波長制御用モニタにおけるＩＴＵ−Ｔグリッドからの相対周波数に対する光検出器で検出される光強度の特性を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３による波長制御用モニタの構成図である。
【図８】この発明の実施の形態４による波長制御用モニタの一例の構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４による波長制御用モニタの一例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明による波長制御用モニタ等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１２】
実施の形態１．
図１にこの発明の一実施の形態による波長制御用モニタの構成図を示す。図１の波長制御用モニタにおいて、半導体基板１上には、例えば並列に形成された４つ以上の半導体レーザ１０１−１１２(図１は１２個の場合を例示している)と、半導体レーザ１０１−１１２にそれぞれ設けられた、光を微小な領域に閉じ込め、特定の方向へ導波させる光導波路１２１−１３２が設けられている。
【００１３】
半導体基板１の後方面側には、光導波路１２１−１３２から出射した拡散光を平行光にコリメートするコリメートレンズ２と、コリメートレンズ２を透過したコリメート光が入射するように配置された、電気光学効果を有する媒質３１が設けられている。媒質３１は、入射光の周波数に対して周期的な透過率をもち、例えば水晶製のエタロンからなる。媒質３１は、内部を伝搬する光が結晶のｚ軸を通るように形成されている。そして光の透過方向に沿った両側の互いに対向する面にそれぞれ電極３２、３３を設けた(図の手前と向こう側の面でもよい)光フィルタ３を構成している。ここでは光フィルタ３は実際には媒質３１であり、以下エタロンとも云う。
【００１４】
エタロン３の出射側には、エタロン３を透過した光を受光して光強度を検出する光検出器４が設けられている。またさらに、エタロン３に設けられた電極３２、３３に交流電圧を印加するための交流電源６、光検出器４から入力される信号に従って、半導体レーザ１０１−１１２における波長を安定化するために半導体レーザをフィードバック制御する信号を生成する波長安定化制御器７、が設けられている。
【００１５】
波長安定化制御器７において、ハイパスフィルタ(以下ＨＰＦ)７１は、交流電源６で出力される交流周波数を通過させ、直流成分をカット(遮断)する。振幅検知器７２は、ＨＰＦ７１を透過した信号の振幅を検知する。ローパスフィルタ(以下ＬＰＦ)７４は、交流電源６で出力される交流周波数をカットし、直流成分を通過させる。フィードバック制御器７３は、振幅検知器７２で検知された振幅とＬＰＦ７４を通過した光検出器４から入力される信号に従って、半導体レーザ１０１−１１２の波長を制御する。
【００１６】
なお図１には例として、半導体レーザ１０３から出射した光線経路５１と、半導体レーザ１０６から出射した光線経路５２と、半導体レーザ１０９から出射した光線経路５３を概念的に示している。
【００１７】
この実施の形態では、光線経路５１、５２、５３を含めた全ての半導体レーザ１０１−１１２からの出射レーザ光の光フィルタ３(媒質３１)内光線伝搬角度が次式の解となるように、光導波路１２１−１３２の半導体基板１から出射する位置を下記式(１)を満足するように不等間隔に設計している。
【００１８】
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
(≒√[２{(２ｎλＬetalonｆｋ／ｍｋｃ)−１}])
ｆｋ＝ｆＭＯＮ±Ｆ                                        (１)
【００１９】
但し、
θｋ：ｋ番目(ｋ＝１，２，３，…)の半導体レーザから出射されたレーザ光の光フィルタ３(媒質３１)内の光線伝搬角(ｒａｄ)、
ｍｋ：ｋ番目の半導体レーザから出射されたレーザ光の光フィルタ３の干渉次数、
ｃ：光速、
ｎλ：波長λにおける光フィルタ３の屈折率、
Ｌetalon：光フィルタ３の透過方向の長さ、
ｆｋ：前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数、
をそれぞれ示す。
【００２０】
ｆｋは全てのｋにおいて、モニタしたいモニタ周波数ｆＭＯＮ(例えばＩＴＵ−Ｔ(International Telecommunication Union-Telecommunication sector)で規定される波長グリッドなど)から、前記光フィルタの透過率がピークとなる周波数と、前記光フィルタの透過率の周波数に対する傾きの絶対値が最大となる周波数(正方向と負方向は任意)との差Ｆを加算または減算した値、となる。
【００２１】
波長を精度よくモニタするために、モニタ周波数におけるエタロンの透過特性をスロープ部分にする必要があるためこの実施の形態では、ピーク周波数ｆｋとモニタ周波数ｆＭＯＮをずらして設定している。また、ｆｋとｍｋの関係については、ある同一のｆＭＯＮに対しては、コリメートレンズ２の中心軸に近い半導体レーザ順に小さくなる。例えばこの実施の形態において、コリメートレンズ２を、その中心軸が光導波路１２１−１３２の出射位置の中心に一致するように実装する場合、ｍｋについて以下の関係が成り立つ。
【００２２】
ｍ101＝ｍ112＞ｍ102＝ｍ111＞ｍ103＝ｍ110＞ｍ104＝ｍ109＞ｍ105＝ｍ108＞ｍ106＝ｍ107      (２)
【００２３】
１つの半導体レーザから出射した光は、コリメートレンズ２によってコリメートされ、エタロン３を透過した後、光検出器４にて光強度が検出される。エタロン３の透過率は周期的な周波数依存性をもつため、光検出器４にて検出される光強度は、半導体レーザ１０１−１１２から出射した光の周波数に依存する。したがって、予め光検出器４にて検出される光強度と光の周波数の関係がわかっていれば、光検出器４にて検出される光強度を観測することで半導体レーザから出力されている光の波長(＝光速／周波数)をモニタすることが可能になる。
【００２４】
ここで、全ての半導体レーザからの出射光のエタロン３内光線伝搬角度が上記式(１)となる場合、出射光が波長モニタ周波数ｆＭＯＮとなったときの、光検出器４で検出される光強度が半導体レーザ１０１−１１２で一致するため、高精度な波長モニタが可能となる。さらに、電極３２，３３が形成されたエタロン３に交流電圧を印加することで、媒質３１を構成する水晶の電気光学効果によってファブリペロー共振器の光路長が変調され、エタロン透過率が変調される。このため、光検出器４から取り出される電気信号は時間的な変動成分が生じる。この実施の形態１では、光検出器４から取り出される電気信号を、ＬＰＦ７４を用いて直流成分を取り出して、従来と同様の方法で波長モニタするとともに、ＨＰＦ７１を通して高周波成分を取り出し、その振幅が最大となるように半導体レーザの出射波長をフィードバック制御することで、従来よりも高精度に波長を安定化することが可能となる。特に、従来方法であれば雑音などの影響が大きな、エタロンへの光線入射角度が大きくなる半導体レーザの波長安定度を向上することができる。
【００２５】
上記の構成において、以下では、具体的な計算例を基にしてその効果を説明する。
図２のＬＤ出射点位置で示すような、光導波路１２１−１３２の出射点が配置された半導体基板１と、
光導波路１２６と１２７の中心の延長上にレンズ中心が位置し、かつ半導体基板１から０．７ｍｍだけ離れた位置に設置された焦点距離が０．７ｍｍのコリメートレンズ２、
半導体レーザ１０１−１１２が並んでいる方向(図１では垂線方向)となす角が９０度になるように、かつコリメートレンズ２から３．０ｍｍだけ離れて設置された、ＦＳＲ(Free Spectrum Range)が５０ＧＨｚ、屈折率が約１．５２、全体が直方体である場合に光入射面と垂直な両側の互いに対向する２つの側面(レーザ光の全体としての透過方向に平行な互いに対向する一対の側面)に電極３２，３３が形成された水晶製エタロン３、
半導体レーザ１０１−１１２が並んでいる方向の垂線と垂直になるように、かつ水晶製エタロン３から１．０ｍｍだけ離れて配置された受光面積が２５０μｍ角(一辺が２５０μｍ)の正方形のフォトダイオードである光検出器４、
で構成される波長制御用モニタにおいて、交流電源６を駆動しない時、半導体レーザ１０１−１１２から発光し、コリメートレンズ２と水晶製エタロン３を透過して光検出器４で検出される光強度の波長依存性を図３に示す。
【００２６】
ここでは、全ての半導体レーザにおいて、ピーク周波数ｆｋをモニタ周波数ｆＭＯＮの低周波側に設定したが、この形態に限る必要はなく、全て高周波側のみであってもよいし、低周波側と高周波側を混在させてもよい。全て高周波側にする場合、半導体レーザの経年変化方向に対して波長補足範囲が広くなるため、経年変化に強くなり、低周波側と高周波側を混在させる場合、光導波路１２１−１３２の出射点の位置の広がりを抑え、実装ずれに起因するエタロン透過特性のばらつきを軽減することができる。また、光導波路１２１−１３２の出射点を微調整して、各半導体レーザ１０１−１１２のエタロン透過スペクトル(透過率特性)が、ピーク周波数ｆｋが一致するのではなく、モニタ周波数ｆＭＯＮの強度が一致するようにしてもよい。この場合、モニタ周波数での波長モニタばらつきをより低減することができる。
【００２７】
図３より、コリメートレンズ２の中心軸から出射位置が離れた半導体レーザ１０１、１１２程、水晶製エタロン３への光線入射角ひいては水晶製エタロン３内の光線伝搬角度が大きくなってエタロン内の多重干渉効果が弱くなるため、エタロン透過スペクトルがなまり、モニタ周波数ｆＭＯＮにおけるスペクトルの傾きが小さくなる。モニタ周波数ｆＭＯＮにおけるスペクトルの傾きは、検出できる波長モニタ感度に影響するため、コリメートレンズ２の中心軸から出射位置が離れた半導体レーザ(１０１，１１２等)は、中心軸付近の半導体レーザ(１０６，１０７等)と比較して波長安定性が悪くなる。
【００２８】
次に、交流電源６を駆動した時の動作について説明する。交流電源６で発生する電圧を
【００２９】
Ｖｉｎ＝Ｖｏ×ｓｉｎ(ωｔ)          (３)
【００３０】
とすると、光検出器４で検出される光強度Ｉ４は、
【００３１】
Ｉ４＝ａ×Ｔ３(ｆoutput_kｔ)×Ｉｋ
＝ａ×Ｔ３(ｆoutput_ｋ)×Ｉｋ＋ａ×ｂｋ×(ｄＴ３(ｆoutput_ｋ)／ｄｆ)×Ｖ０×ｓｉｎ(ωｔ)×Ｉｋ
(４)
【００３２】
となる。但し、
ａ：光検出器４の検出効率、
Ｔ３：水晶製エタロン３の透過率、
ｄＴ３(ｆoutput_k)／ｄｆ：ｆoutput_kにおけるエタロン透過率の入射光周波数に対する傾き、
(式(４)上段では入射光の周波数依存性と、交流電圧による変調をうけた時間依存性が、式(４)下段では時間依存性の項を外に出したことによって時間依存性が無くなっている)
ｆoutput_k：ｋ番目の半導体レーザから出射される光周波数、
Ｉｋ：ｋ番目の半導体レーザから出射される光強度(光パワー)、
ｂｋ：電気光学効果に依存する比例係数であり、印加された電圧とエタロン透過スペクトルの周波数シフト量との関係を示す値、
である。
ここで、係数ｂｋについて考察する。水晶製エタロン３に交流電圧が印加され、水晶の電気光学効果によってファブリペロー共振器長が変調されたとき、エタロン透過スペクトルの周波数シフト量は下記式(５)で表される。
【００３３】
Δｆ＝{ｍｋｃ／２Δ(ｎλＬetalon)ｃｏｓ(θｋ)}          (５)
【００３４】
ここで、
Δｆ：エタロン透過スペクトルの周波数シフト量、
Δ(ｎλＬetalon)：ファブリペロー共振器の光路長の変調量(ファブリペロー共振器の光路長＝エタロン３の長さとエタロン３の屈折率の積)、
である。
【００３５】
式(５)よりわかるように、印加電圧が同じでファブリペロー共振器長の変調量Δ(ｎλＬetalon)が一定であれば、エタロンへの光線入射角ひいては光線伝搬角度θｋが大きい方がエタロン透過スペクトルの周波数シフト量Δｆが大きくなる。この実施の形態１では、半導体レーザ１０１−１１２によってエタロン３への光線入射角が異なる。さらに、コリメートレンズ２の中心軸から出射位置が離れた半導体レーザ(例えば１０１や１１２)程、エタロンへの光線入射角が大きくなるため、このｂｋは大きくなる。これは、従来の波長安定化制御方法とは逆の特徴である。
【００３６】
図４にコリメートレンズ２の中心軸から出射位置が近い、すなわち内側の半導体レーザ(１０６や１０７)の光検出器４で検出される光強度Ｉ４を、図５にコリメートレンズ２の中心軸から出射位置が離れた、すなわち外側の半導体レーザ(１０１や１１２)の光検出器４で検出される光強度Ｉ４を示す。半導体レーザ１０６や１０７は、ｄＴ３(ｆoutput_k)／ｄｆは小さいが、ｂｋが大きいため、光強度Ｉ４では十分な振幅が得られる。上記式(４)において、右辺第１項(ａ×Ｔ３(ｆoutput_k)×Ｉｋ)が光検出器４から取り出される電気信号の直流成分を示しており(図４、５の波形出力波形の中心値)、ＬＰＦ７４を通してフィードバック制御器７３に入力される。この値を用いると、エタロン３に交流電圧を印加しない従来と同様の波長安定化動作が可能である。
【００３７】
式(４)において、右辺第２項(ａ×ｂｋ×(ｄＴ３(ｆoutput_ｋ)／ｄｆ)×Ｖ０×ｓｉｎ(ωｔ)×Ｉｋ))が光検出器４から取り出される電気信号の交流成分を示しており(図４、５の波形出力波形の振幅値)、ＨＰＦ７１と振幅検知器７２を通してフィードバック制御器７３に入力される。モニタしたい周波数ｆＭＯＮは、エタロン透過率の入射光周波数に対する傾きが最大となる周波数であるので、光検出器４から取り出される電気信号の交流成分の振幅が最大となるように半導体レーザの出射波長をフィードバック制御することで、ｆoutput_ｋをｆＭＯＮに一致させることができる。
【００３８】
また、このとき光検出器４から取り出される電気信号はＨＰＦ７１を透過させるため、波長制御用モニタが波長可変半導体レーザモジュール内に実装されているような場合、例えば光検出器４に入射する迷光や、制御基板における遅い制御信号、たとえば半導体レーザの温度調整装置の制御信号などの雑音混入をカットし、従来方法よりも高精度な波長安定制御が可能となる。特に、ｂｋが大きな、エタロンへの光線入射角度が大きくなる半導体レーザで波長モニタ感度を向上することができる。
【００３９】
この実施の形態１では、光検出器４から取り出される電気信号の直流成分と交流成分の両方を用いることで、直流成分を用いた粗調により、素早く波長モニタ周波数付近へ収束させ、交流成分と直流成分の２つを用いて、高精度に安定させる。このとき交流成分のみを用いると、半導体レーザのフィードバック制御の方向が分からない(具体的には、波長を増加すればよいのか、減少させればよいのかわからない)ため、直流成分を併用している。
【００４０】
なお、半導体基板１やコリメートレンズ２、エタロン３、光検出器４の数値や形状、素材、位置関係は実施の形態１に限る必要は無いことに注意されたい。半導体基板１では半導体レーザは１２個配置したが、４個や８個など、１２個以下でもよいし、１６個など１２個以上であってもよい。さらには、半導体レーザの配置個数は４の整数倍に限定されず、複数の半導体レーザが並列に少なくとも一例配置されたものであればよい。
【００４１】
また、コリメートレンズ２の焦点距離も０．７ｍｍである必要は無い。
【００４２】
エタロン３の材料は水晶に限らずに例えばニオブ酸リチウムでもよく、電気光学効果を有する有機材料を用いればよい。また、エタロン３は周期的な透過率の周波数依存性をもつフィルタであればよいので、例えば有機材料やニオブ酸リチウム基板上に形成された共振器や、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ガラスなどの基板材料と電気光学効果を有する材料を複合的に用いた共振器などでもよい。そこで総称として光フィルタとする。
【００４３】
光検出器４は、受光面積が２５０μｍ角で形状が正方形に限定されず、エタロン３を透過した光を受光できれば、受光面積、形状(長方形や円形等でもよい)はこれに限定されない。また、フォトダイオードをアレイ状に配置して受光面積を広くしてもよい。
【００４４】
また上記説明では、光導波路１２１−１３２の出射位置を不等間隔に設計して、光線経路５１、５２、５３を含めた全ての半導体レーザからの出射光のエタロン３内光線伝搬角度が上記式(１)の解となるようにしている。しかしながら他の方法として、例えば光導波路１２１−１３２は等間隔としておき、コリメートレンズ２の形状を適切に設計することで、光線経路５１、５２、５３を含めた全ての半導体レーザからの出射光のエタロン３内光線伝搬角度が上記式(１)の解となるようにしてもよい。また、半導体レーザ１０１−１１２を直接、不等間隔配置にして光導波路１２１−１３２を設けない構造としてもよい。この場合、半導体基板１の面積を小さくできる利点がある。
【００４５】
なお、各半導体レーザ１０１−１１２からの出射レーザ光を光フィルタ３でそれぞれ予め設定された光線伝搬角度で伝搬させるように固定する構成をレーザ光方向固定機構とする。
レーザ光方向固定機構は上記のように例えば、複数の半導体レーザ１０１−１１２の出射レーザ光をコリメートレンズ２に導く複数の光導波路１２１−１３２からなり、各光導波路の出射位置が光フィルタ３での前記予め設定された光線伝搬角度に従って定められているものからなる。
または、複数の半導体レーザ１０１−１１２の出射レーザ光をコリメートレンズ２に導く複数の光導波路１２１−１３２と、複数の光導波路１２１−１３２から出射するレーザ光を光フィルタ３へ光フィルタ３内で前記予め設定された光線伝搬角度で伝搬されるように導く形状の前記コリメートレンズ(２)からなる。
または、複数の半導体レーザ１０１−１１２が、出射レーザ光が光フィルタ３内において前記予め設定された光線伝搬角度で伝搬される配置位置に固定されていることからなる。
【００４６】
また、光フィルタ３の周期的な透過率特性に周波数方向に変動を与えて変調させる構成を透過率特性変調機構とする。
透過率特性変調機構は、光フィルタ３の媒質３１のレーザ光の透過方向に平行な互いに対向する一対の側面にそれぞれ設けられた電極３２，３３と、電極３２，３３間に交流電圧を印加する交流電源６と、からなる。
【００４７】
そして、波長安定化制御器７において、ＨＰＦ７１は、光検出器４からの検出信号の交流電源６の交流周波数成分を通し、直流成分をカットする。振幅検知器７２は、ＨＰＦ７１を透過した信号の振幅を検知する。ＬＰＦ７４は、光検出器４からの検出信号の交流電源６の交流周波数成分をカットし、直流成分を通す。フィードバック制御器７３は、振幅検知器７２で検知された振幅とＬＰＦ７４を透過した信号に従って各半導体レーザ１０１−１１２の波長を安定化制御する。そしてフィードバック制御器７３は、ＬＰＦ７４を透過した信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係に従って、各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を粗調し、ＨＰＦ７１を透過した交流成分の信号の振幅が最大となるように各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を微調する。
【００４８】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２による波長制御用モニタは、上述の実施の形態１の変形例である。上記式(１)において、ｆｋをモニタしたい周波数ｆＭＯＮ(例えばＩＴＵ−Ｔで規定される波長グリッド等)と等しく設定し、波長安定化制御器７において、ＨＰＦ７１を、交流電源６の周波数をカットし、交流電源６の例えば２倍(倍率は限定されない)の周波数を透過させるよう設定し、ＨＰＦ７１を透過した交流成分の信号の振幅が最小となるようにフィードバック制御器７３でフィードバック制御する。
【００４９】
この際の上記実施の形態１での光フィルタでの予め設定された光線伝搬角度の式
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
ｆｋ＝ｆＭＯＮ±Ｆ
【００５０】
は以下のようになる。
【００５１】
θｋ＝arccos(ｍｋｃ／２ｎλＬetalonｆｋ)
ｆｋ＝ｆＭＯＮ
【００５２】
この時の動作を図６に示す。エタロン透過率のピークを目標モニタ周波数ｆＭＯＮとすることで、交流電圧をエタロン(光フィルタ)３に印加してエタロン透過スペクトルの周波数シフトが発生した時、光検出器４で検出される光強度Ｉ４は交流成分の２倍の周波数をもつ。また、エタロン透過スペクトル(透過率特性)がピークになるとき、上記式(４)におけるｄＴ３(ｆｋ)／ｄｆは０になるため、光強度Ｉ４の交流成分の振幅は０となる。
【００５３】
このように実施の形態２では、フィードバック制御に用いる光強度Ｉ４は交流成分と、エタロン３に印加する交流電圧の周波数を分離でき、ＨＰＦ７１で２つの成分を切り分けることができるため、エタロン３に印加する交流電圧からのクロストーク雑音の影響を削除することが可能になり、波長安定制御の高精度化が可能になる。
【００５４】
なお、波長安定化制御器７での動作は以下のようになる。ＨＰＦ７１は、光検出器４からの検出信号の交流電源６の交流周波数成分をカットし、交流電圧の周波数の２倍の周波数成分を通し、直流成分をカットする。振幅検知器７２は、ＨＰＦ７１を透過した信号の振幅を検知する。ＬＰＦ７４は、光検出器４からの検出信号の交流電源６の交流周波数成分をカットし、直流成分を通す。フィードバック制御器７３は、振幅検知器７２で検知された振幅とＬＰＦ７４を透過した信号に従って各半導体レーザ１０１−１１２の波長を安定化制御する。そしてフィードバック制御器７３は、ＬＰＦ７４を透過した信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係に従って、各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を粗調し、ＨＰＦ７１を透過した交流成分の信号の振幅が最小となるように各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を微調する。
【００５５】
実施の形態３．
図７にこの発明の実施の形態３による波長制御用モニタの構成図を示す。この実施の形態３は実施の形態２の変形例であり、波長安定化制御器７が、同期検波器７５とフィードバック制御器７３で構成されている。光検出器４で検出される電気信号と、エタロン３に印加する交流電圧が同期検波器７５に入力される。同期検波器７５から出力される誤差信号はフィードバック制御器７３に入力される。フィードバック制御器７３では、半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を安定化制御する。
【００５６】
これにより、同期検波器７５を用いることで、フィルタ(ＬＰＦ，ＨＰＦ)を構成するよりも安価に波長制御用モニタを構成できる。また、交流電源６の出力電圧周波数に変動があった場合でも、追従して検波することができる。
【００５７】
なお、波長安定化制御器７での動作は以下のようになる。同期検波器７５は、光検出器４からの検出信号と光フィルタ３に印加される交流電圧から同期検波を行い誤差信号を出力する。この同期検波器７５では、交流信号発生器６から出力される交流信号を基準に、光検出器４の出力の積を取り、高周波成分を除去して同期検波を行い、その検出結果を誤差信号としてフィードバック制御器７３に出力するものである。フィードバック制御器７３は、同期検波器７５から出力される誤差信号にフィードバックゲインをかけ、誤差信号が０になるように各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を安定化制御する。そしてフィードバック制御器７３は、誤差信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係を従って、誤差が最小となるように各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を制御する。
【００５８】
実施の形態４．
この実施の形態４は上記実施の形態１、２、３の変形例である。図８は図１の実施の形態１、２の構成に実施の形態４の構成を適用した場合の波長制御用モニタの構成図、図９は図７の実施の形態３の構成に実施の形態４の構成を適用した場合の波長制御用モニタの構成図である。この実施の形態４では、交流電源６の替わりに負帰還増幅回路８で構成されることを特徴とする。光フィルタ３として水晶製エタロンを使用した場合、水晶は高い圧電効果を有しており、負帰還増幅回路８を接続することで、固有振動数で自己発振する。このような構成とすることで、交流電源を用いる場合よりも安価に波長安定制御機能を実現することができる。
なお、水晶製エタロンの代わりにニオブ酸リチウム製エタロン等を使用してもよい。
【００５９】
この場合、透過率特性変調機構は、光フィルタ３に接続されて媒質３１を固有振動数で自己発振させる負帰還増増幅回路８からなる。
【００６０】
そして上記実施の形態１に負帰還増増幅回路８を適用した場合、波長安定化制御器７での動作は以下のようになる。
ＨＰＦ７１は、光検出器４からの検出信号の光フィルタ３の媒質３１と負帰還増幅回路８で決まる固有振動周波数成分を通し、直流成分をカットする。振幅検知器７２は、ＨＰＦ７１を透過した信号の振幅を検知する。ＬＰＦ７４は、光検出器４からの検出信号の固有振動周波数成分をカットし、直流成分を通す。フィードバック制御器７３は、振幅検知器７２で検知された振幅とＬＰＦ７４を透過した信号に従って各半導体レーザ１０１−１１２の波長を安定化制御する。そしてフィードバック制御器７３は、ＬＰＦ７４を透過した信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係に従って、各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を粗調し、ＨＰＦ７１を透過した固有振動周波数成分の信号の振幅が最大となるように各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を微調する。
【００６１】
また光フィルタの透過率がピークとなる周波数ｆｋとモニタ周波数ｆＭＯＮを一致させた上記実施の形態２に負帰還増増幅回路８を適用した場合、波長安定化制御器７での動作は以下のようになる。
ＨＰＦ７１は、光検出器４からの検出信号の光フィルタの媒質と負帰還増幅回路８で決まる固有振動周波数成分をカットし、固有振動周波数の２倍の周波数成分を通し、直流成分をカットする。振幅検知器７２は、ＨＰＦ７１を透過した信号の振幅を検知する。ＬＰＦ７４は、光検出器４からの検出信号の固有振動周波数成分をカットし、直流成分を通す。フィードバック制御器７３は、振幅検知器７２で検知された振幅とＬＰＦ７４を透過した信号に従って各半導体レーザ１０１−１１２の波長を安定化制御する。そしてフィードバック制御器７３は、ＬＰＦ７４を透過した信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係に従って、各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を粗調し、ＨＰＦ７１を透過した固有振動周波数成分の信号の振幅が最小となるように各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を微調する。
【００６２】
また、光フィルタの透過率がピークとなる周波数ｆｋとモニタ周波数ｆＭＯＮを一致させ、同期検波器７５を使用した上記実施の形態３に負帰還増増幅回路８を適用した場合、波長安定化制御器７での動作は以下のようになる。
同期検波器７５は、光検出器４からの検出信号と固有振動周波数から同期検波を行い誤差信号を出力する。フィードバック制御器７３は、同期検波器７５から出力される誤差信号に従って各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を安定化制御する。そしてフィードバック制御器７３は、誤差信号の値と、予め格納した各制御目標での値との関係を従って、誤差が最小となるように各半導体レーザ１０１−１１２の出射波長を制御する。
【００６３】
なお、上記各実施の形態に関し、光フィルタ３に入射する複数のレーザ光が、媒質３１に対して絶対角が０．７度以上の入射角(すなわち光線入射角度ひいては光フィルタ内の光線伝搬角度の絶対角が０．７度以上)である時にこの発明は特に有効に作用する。
【００６４】
さらに上記各実施の形態による、波長制御用モニタは半導体レーザ１０１−１１２の波長制御を行うためのモニタであるが、複数の半導体レーザ１０１−１１２を波長可変半導体レーザ光源とする光モジュールにおいて、波長可変半導体レーザ光源の後面側に上記各実施の形態による波長制御用モニタを構成してもよい。
【００６５】
この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。
【符号の説明】
【００６６】
１  半導体基板、２  コリメートレンズ、３  光フィルタ(エタロン)、４  光検出器、
６  交流電源、７  波長安定化制御器、８  負帰還増幅回路、３１  媒質、
３２，３３  電極、５１−５３  光線経路、７１  ＨＰＦ、７４  ＬＰＦ、
７２  振幅検知器、７３  フィードバック制御器、７５  同期検波器、
１０１−１１２  半導体レーザ、１２１−１３２  光導波路。
【図１】
2016143716.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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