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La Fibra Óptica Presente Inmediato En la antigüedad todos lo inventos de los seres humanos eran conocidos por todos, es decir , se sabia como se hacia una espada, como se construía una casa de madera, de que estaban hechas las telas y muchos otros inventos. Pero después de la revolución industrial y de varias guerras, la ciencia y la tecnología ha avanzado a pasos agigantados, lo que no ha permitido que las personas en general puedan seguir cada invento que surge cada momento; así que los conocimientos sobre la tecnología en su totalidad pasaron a ser exclusivos (solo para personas que están inmersas en ese mundo). La fibra óptica es uno de estos inventos
“...la fibra óptica no tiene competencia.” “...quedaran conectados físicamente mediante un cable submarino de fibra óptica…” “...Lo mejor en iluminación con fibra óptica …” Pero ¿Qué es la fibra óptica realmente?, ¿Como funciona la fibra óptica ?, ¿ Quienes utilizan estos recursos?, ¿ Es dañino para el ambiente?, ¿Cómo se hace?, estas y muchas mas preguntas surgen alrededor de este tema.
Por esto se pretende realizar una descripción sobre la fibra óptica, que ayudara a resolver algunas dudas sobre este tema tan importante En la actualidad la fibra óptica es de hoy en día. muy nombrada alrededor del mundo, se escucha cosas relacionadas con la fibra óptica como:
Fibra óptica (Filamen tos de Vidrio)
De la magia a lo real M uc ha s p erson a s creen lo que pueden percibir por sus sentidos y lo que no, es mágico . Es decir, las p erson a s u tili za n computadores , celulares , automóviles, entre otros. Pero realmente la composición y la funcionalidad de cada pieza física que con-
forma el dispositivo. ¡ES MAGICO!. Un claro ejemplo es el internet, este es un medio de comunicación intangible y es muy popular en la actualidad. Cuando se habla sobre este medio de comunicación, pareciese que la parte física no existiera, es decir,
algunas personas no están conscientes de que este medio de comunicación necesita medios para trasportar la información. La fibra óptica es un medio de trasmisión , que permite enviar distintos datos. Su composición es única, lo que hace que sea tan importante.
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Todos nos preguntamos que es la fibra óptica , pero las respuestas son un poco complicadas y al final no terminamos entendiendo. En esta revista procuraremos dar una explicación sencilla del significado de esta tecnología.
pulsos de luz que quedan atrapados en la fibra óptica propagándose (trasmitiéndose ) en el interior de la fibra con un ángulo de reflexión mayor al ángulo limite de reflexión to tal, dependiendo de las leyes de Snell.
La fibra óptica es …. Un medio de Transmisión, y ¿Qué es un medio de trasmisión?, es el medio por el cual se trasmiten da tos, como por ejemplo, el cable del internet que conecta el computador. Por otro lado, Los cables de cobre que van a la toma corriente también son medios de transmisión, pero estos últimos no llevan datos, llevan corriente y voltajes. T
El rayo de luz se crea a partir de un laser o un led.
Teniendo en claro este concepto se procederá a dar una explicación sobre el significado de la fibra óptica. La fibra óptica es utilizada generalmente en redes de da tos. Esta hecho de un material transparente, que generalmente es plástico o vidrio.
Las fibras ópticas en la actualidad se utilizan generalmente en las telecomunicaciones, ya que permiten enviar una cantidad considerable de datos a grandes distancias, con velocidades similares a la velocidad del sonido. Una de las grandes ventajas de la fibra óptica es que es libre de las interferencias electromagnéticas, gracias a este rasgo característico de la fibra, este medio de transmisión es utilizado en redes locales como en los bancos o en grandes empresas (que quieran privacidad).
¿Sabias qué? Los sistemas de comunicaciones guiados por fibra, son llamados sistemas ópticos.
Un poco de Historia: En 1880, Alexander Graham Bell, experimentó con un aparato que llamo un fotófono. El fotófono era un aparato construido con espejos y detectores de selenio, que transmitía ondas de sonido a través de un haz de luz. El fotófono era embarazoso, no confiable y sin ninguna aplicación practica. En realidad, la luz visual era el medio principal para comunicarse, antes que las comunicaciones electrónicas surgieran. Las señales de humo y espejos fueron usados, hace años, para trasmitir mensajes cortos y sencillos. Sin embargo, el artefacto de Bell, fue el primer intento de usar un haz de luz para llevar información.
Frag mento obtenido de: Siste mas de co municaciones electrónicas. Wayne Tomasi.
La trasmisión de datos por fibra óptica es muy sencilla; se envían de
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En las figuras inferiores se puede observar el espectro de frecuencia electromagnética total. Pero el espectro de frecuencia s electromagnético de interés es el de la luz, por lo que se describirá las tres bandas generales de este: 1.Infrarroja: Esta banda posee unas longitudes de onda de luz muy grandes y pueden ser vistas por el ojo humano. 2. Visible: Esta banda posee longitudes de onda de luz, las cuales el ojo humano responderá. 3. Ultravioleta: Esta banda posee longitudes de onda de luz que son muy cortas para que el ojo humano las vea. Cuando se trata con ondas electromagnéticas que poseen frecuencias altas, como la luz, se usan las unidades de longitud de on da y no las de frecuencia (Hz). La longitud de onda es la longitud de la onda que un ciclo o periodo de una onda electromagnética ocu pa en el espacio. La longitud de una onda pende de la frecuencia de la onda y la velocidad de la luz. La expresión de la longitud de l a onda es:
= longitud de onda (metros por ciclos) C= velocidad de la luz (300.000.000 m/s) f= frecuencia (hertz) La longitud de onda de la luz frecuentemente se encuentra comprendida en micrones o nanómetros. Pero sin embargo el espectro óptico se describe con la unidad de angstrom (A).
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En la figura de la parte inferior de la hoja, se puede observar un diagrama de bloques reducido de un enlace de comunicaciones de fibra óptica. Los bloques principales del enlace son: el transmisor, el receptor y la guía de fibra. El transmisor consiste de una interface analógica o digital, un conversor de voltaje a corriente, una fuente de luz y un adaptador de luz de fuente a fibra. La guía de fibra es la fibra óptica (vidrio ultra puro). El receptor consiste de un dispositivo conector de fibra a luz , un foto detec tor, un conversor de corriente a voltaje, un amplificador y una interface analógica o digital. En el transmisor de fibra óptica, la fuente de luz se puede modular mediante una señal analógica y digital La modulación analógica se logra mediante la interface de entrada que acopla impedancias y limita la amplitud de la señal de entrada. Para la modulación digital, es necesario que la señal de entrada sea digital, si este no es el caso, se debería añadir un convertidor análogo digital en la interface. El conversor de voltaje a corriente sirve como una interface eléctrica, entre los circuitos eléctricos de la entrada y la fuente de luz. La cantidad de luz emitida por la fuente es proporcional a la cantidad de corriente generada por el conversor. El acople que existe entre la fuente de luz y la fibra es mecánico; su función es acoplar la mayor cantidad de luz posible del cable de fibra en el detector de luz. Usualmente el detector de luz es un diodo PIN (p-tipo-intrínseco-n-tipo) o APN (fotodiodo de avalancha). Estos diodos convierten la energía de la luz en corriente. Por lo tanto, se necesita un conversor de corriente a voltaje. Por último la interface análoga o digital de la salida del receptor, además es una interface eléctrica.
Enlace de comunicación de fibra óptica
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La fibra óptica se puede analizar desde las ecuaciones de Maxwell, pero las operaciones pueden ser bastantes complejas; así que los análisis se hacen por medio de trazo de una onda geométrica; trazar rayos proporcionará resultados suficientemente exactos. La energía de un fotón es igual a la energía entre dos niveles de energía de un átomo. El proceso de descenso de un nivel a otro se llama emisión espontanea o decaimiento espontaneo. Si se irradia un átomo con una fuente de luz que posea la misma energía entre el nivel mas bajo y el nivel de energía. Causa que el electrón salte de un nivel de energía a otro y absorba la energía de la luz (Este proceso se le llama absorción). Cuando esto ocurre el átomo absorbe energía llamado fotón. La energía emitida (fotón) es igual a la diferencia entre los dos niveles que el electrón salto, la expresión queda así:
Además la energía del fotón se expresa así:
Donde h=6.625 e 34 J-s (Constante de Plan) y f es la frecuencia de la luz emitida. También se la energía del fotón se puede expresar como:
En el espacio libre la luz viaja aproximadamente a 300.000.000 m/ s. También la velocidad es la misma para todas las frecuencias de luz en el espacio. Pero en el caso de la fibra óptica la velocidad se reduce, lo que causa que la onda electromagnética al pasar de un medio a otro, el haz de luz se refracta (dobla) hacia la normal. También hay que tener en cuentas que todas las frecuencias no se propagan a la misma velocidad.
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En la figura de la derecha se puede observar el fenómeno de la refracción. Se observa un haz de luz que pasa de un material de densidad especifica a uno de densidad menor (El haz de luz cambia de dirección). En la grafica inferior se observa la luz del sol y la refracción de esta (a esta refracción se le llama refracción prismática).
La cantidad de refracción que existe entre dos materiales diferentes, se puede predecir y depende del índice refractivo de los dos materiales. El índice refractivo se define como la relación entre la velocidad de propagación de la luz en el espacio libre con la velocidad de propagación de la luz en el material especifico.
Donde c es igual a la velocidad de la luz (300.000.000) y v la velocidad de la luz en un material especifico. Los índices de refracción de algunos materiales se pueden observar en la tabla que se encuentra a las graficas de la derecha. La ley de Snell puede describirnos el comportamiento de un haz de luz en dos medios diferentes, con diferentes índices de refracción, la expresión matemática es esta:
Donde n1 y n2 son los índices de refracción y los dos senos son los ángulos de refracción
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¿Que tiene la fibra óptica que la hace tan especial ?, ¿Por qué no utilizar cualquier cable para la transmisión de datos?, estas y otras preguntas surgen después de leer el significado de la fibra óptica, por eso se explicarán las ventajas y las desventajas de la fibra.
Ocupa poco espacio, ya que posee un tamaño manejable (pequeño) .
No existen memorias ópticas, es decir, no hay memorias de almacenamiento masivo que almacenen pulsos de luz..
Posee gran flexibilidad, lo que facilita su manipulación.
Fragilidad de las fibras, ya que están hechas de vidrio
Su peso es de algunos gramos por kilometro.
Debido a que se atenúa la señal a grandes distancias, es necesario tener amplificadores; el problema radica en que no se puede trasmitir electricidad para alimentarlos.
Posee una gran resistencia al calor, frío, corrosión. Gran resistencia mecánica. Facilidad de localización de una avería, gracias a un proceso de telemetría que permite hallar el lugar y la ubicación. Por lo tanto la labor de mantenimiento es mas fácil.
Si la fibra se quiebra o se avería, repararla es difícil y mas si se hace en campo. Ya que es necesario utilizar ciertos aparatos para poder hacer el empalme a la perfección. Además estos empalmes resultan ser costosos.
Pequeña atenuación de la señal a grandes distancias, independiente de la frecuencia.
En ocasiones es necesario hacer la conversión eléctricaóptica.
No produce interferencias.
No se puede enviar potencias elevadas con la fibra óptica convencional.
Anchos de Bandas grandes y disponibles en frecuencias ópticas. Insensibilidad a los parásitos. No irradia al exterior .
Alto costo inicial de instalación . No hay sistemas que hayan estado en operación por un largo periodo de tiempo.
Brinda gran seguridad, ya que el acceso a cualquier fibra es fácilmente detec table. Inmune a perturbaciones de origen electromagnético, como por ejemplo tormentas. Se presume que el costo de la fibra a largo plazo es menor al de los cables convencionales. Se piensa que los sistemas de fibra óptica duran mas que las facilidades metálicas. Esto se debe a que los cables de fibra poseen altas tolerancias con respecto a los cambios en el ambiente. Debido a las fibras de plástico y vidrio no son conductoras, no hay corrientes ni voltajes que viajen por estos. Así que la instalación es mas fácil y mas segura.
¿Sabias qué? La fibra se puede doblar hasta un radio de curvatura inferior a un 1cm. La fibra pesa nueve veces menos que un cable convencional.
La fibra se puede usar e instalar cerca de gases y líquidos volátiles, sin preocupaciones que causen explosiones o accidentes.
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Es interesante saber la construcción de la fibra óptica, así que se describirá brevemente. En la actualidad existen muchos diseños de cables de fibra. Dependiendo de la necesidad del usuario, el cable puede incluir núcleo, cubierta, tubo protector, búferes, una o mas capas protectoras y miembros de fuerza. Cada fibra esta rodeada por un tubo protector; den tro del tubo hay un compuesto de poliuretano que encierra la fibra y evita la entrada del agua. Las capas del búfer, proporcionan protección para la fibra de los efectos mecánicos externos que causarían el quiebre de la fibra o una atenuación óptica grande. Kelvar es un material tipo estambre (tela) que aumenta la fuerza de tensión del cable.
Para aumentar la tensión también se utiliza un miembro central de acero y una capa de envoltura con cinta mylar
¿Sabias qué? El 22 de abril de 1977, se envió la primera transmisión telefónica a través de fibra óptica, en 6 Bits, en Long Beach, California . Esta trasmisión fue hecha por General Telephone and Electronics. Un poco de Historia: En 1980, las fibras muy transparentes permitían que la señal atravesara 240 kilómetros sin debilitarse hasta llegar a ser indetectable. El problema radicaba en que no era posible fabricar esta fibra con las técnicas tradicionales. El gran adelanto tecnológico de ese año fue el descubrimiento de un nuevo uso para el cristal de sílice puro, que no poseía impurezas de metal que absorbiese luz.
Construcción de tubo suelto
Fibra li mitada
Hilos mú ltiple s
Cable de sílice con cubierta de plástico
Cable te le fónico
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Como primera medida se debe obtener la materia prima mediante procesos químicos. El proceso de fabricación comienza con la preforma que consta de cuatro etapas, luego se prosigue con el estirado y por ultimo con las pruebas de calidad de la fibra. En esta pagina se encuentra una dirección de internet, en la cual se puede observar el proceso completo de la fabricación de la fibra óptica
Para describir la fabricación de la fibra óptica, se describirá el método M.C.V.D que es uno de los mas utilizados. El siguiente fragmento fue obteni do textual mente de wikipedia.
M.C.V.D Modified Chemical Vapor Deposition Fue desarrollado originalmente por Corning Glass y modificado por los Laboratorios Bell Telephone para su uso industrial. Utiliza un tubo de cuar zo puro de donde se parte y es depositado en su interior la mezcla de dióxido de silicio y aditivos de dopado en for ma de capas concéntricas. A continuación en el proceso industrial se instala el tubo en un torno giratorio. El tubo es calentado hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 1.400 °C y 1.600 °C mediant e un quemador de hi drógeno y oxígeno. Al girar el torno el quemador comienza a desplazarse a lo largo del tubo. Por un extremo del tubo se introducen los aditivos de dopado, parte fundamental del proceso, ya que de la proporción de estos aditivos dependerá el perfil final del índice de refracción del núcleo. La deposición de las sucesivas capas se obtienen de las sucesivas pasadas del quemador, mientras el torno gira; quedando de esta for ma sintetizado el núcleo de la fibra óptica. La operación que resta es el colapso, se logra igualmente con el continuo desplazamiento del quemador, solo que ahora a una temperatura comprendida entre 1.700 °C y 1.800 °C. Precisamente es esta temperatura la que garantiza el ablandamiento del cuarzo, convirtiéndose así el tubo en el cilindro macizo que constituye la preforma. Las dimensiones de la prefor ma suelen ser de un metro de longitud útil y de un centímetro de diámetro exterior. Etapa de estirado de la preforma: Sea cualquiera que se utilice de las técnicas que per miten la construcción de la prefor ma es de común a todas el proceso de estirado de esta. Consiste básicamente en la existencia de un horno tubular abierto, en cuyo interior se somete la preforma a una temperatura de 2.000 °C, logrando así el reblandamiento del cuarzo y quedando fijado el diámetro exterior de la FO. Este diámetro se ha de mantener constante mientras se aplica una tensión sobre la preforma, para lograr esto precisamente la constancia y uniformidad en la tensión de tracción y la ausencia de corrientes de convección en el interior del horno, son los factores que lo per miten. En este proceso se ha de cuidar que en la atmósfera interior del horno esté aislada de partículas provenientes del exterior para evitar que la superficie reblandecida de la FO pueda ser contaminada, o se puedan crear microfisuras, con la consecuent e e inevitable rotura de la fibra. También es aquí donde se aplica a la fibra un material sintético, que general ment e es un polimerizado viscoso, el cual posibilita las elevadas velocidades de estirado, comprendi das entre 1 m / sg y 3 m / sg, confor mándose así una capa unifor me sobre la fibra totalment e libre de burbujas e impurezas. Posterioremente se pasa al endureci miento de la protección antes descrita quedando así la capa definitiva de polímero elástico. Esto se realiza habitualmente mediante procesos térmicos o a través de procesos de reacciones quí micas mediante el empleo de radiaciones ultravioletas.
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Dentro de las fibras el haz de luz puede tomar diferentes caminos, denominadas modos de propagación. La palabra modo en este caso significa trayectoria; si existe una sola trayectoria de luz se llama monomodo. Si hay más de una trayectoria se llama multimodo.
En la fibra monomodo sólo se propaga una trayectoria de luz. Para la construcción de esta es necesario reducir el diámetro del núcleo de la fibra hasta alcanzar un tamaño de (8.3 a 10 micrones); este tamaño solo permite la trasmisión paralela de una sola trayectoria.. Las fibras monomodo permiten transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gb/s), y alcanzar grandes distancias (hasta 400 km máximo, con una fuente de alta intensidad), a diferencia de las fibras multimodo.
En la fibra multimodo pueden existir mas de una trayectoria y pueden haber mas de mil modos de propagación dentro de la fibra. Pero hay que tener en cuenta que no todos los haces de luz llegan a la vez. Generalmente estas fibras se utilizan en aplicaciones de corta distancia (menores a 1km), también se usan por su economía y su simplicidad de diseño. Se observa en la gráfica que las fibras multimodo poseen un núcleo de gran tamaño, lo que permite tener facilidad de conexión y tolerancia alta con respecto a componentes de precisión baja. El núcleo tiene un índice de refracción superior y un orden de magnitud similar al del revestimiento. Dependiendo del índice de refracción del núcleo, existen dos clases de fibra: Índice escalonado: El núcleo de esta fibra posee alta dispersión modal y un índice de refracción constante a lo largo de toda la sección cilíndrica.
Índice gradual: el núcleo en este tipo, es construido por diferentes materiales lo que con lleva a un índice de refracción variable y una dispersión modal menor.
INFORMACION ADICIONAL: Según el sistema ISO 11801 las fibras multimodo se clasifican dependiendo del ancho de banda y también se incluyen el formato OM3 (monomodo sobre laser) a los ya existentes OM1 Y OM2 (monomodos sobre led). OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores. OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores. OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet(300 m) usan láser (VCSEL) como emisores.
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Existen varios tipos de conectores para la fibra óptica; ya que cada empr esa que los fabrica tiene un tipo de conector. Tipos de conector es de la fibra óptica. FC, Es un conector que se utiliza en la transmisión de datos y las telecomunicaciones. FDDI, Este se utiliza para redes de fi bra óptica. LC y MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos. SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos. ST o BFOC se usa en redes de edificios y en sistemas de seguri dad. DIODOS PIN FOTODIODOS DE AVALANCHA DIODOS EMISORES DE LUZ Led de emisión superficial bien grabada de Burrus. Led de heterounion planar Led emisor de Orilla.
DIODOS DE INYECCION LASER
El láser es muy importante en la construcción de la fibra óptica, ya que permite modular la luz producida. Tipos de láseres: Láseres gaseosos Láseres Líquidos Láseres sólidos Láseres semiconductores
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El acople entre fibras ópticas no es tan sencillo como unir dos pedazos de papel con pegante. Es necesario tener equipos especializados para poder acoplar las fibras sin tener perdidas; de lo contrario, se presentan perdidas en el acoplamiento por: Mala alineación lateral
Mala alineación lateral
Mala alineación de la separación Mala alineación angular Acabado de superficie imperfecta
Desplazamiento de espacio
Las perdidas de transmisión en los cables de fibra óptica son rasgos importantes en la fibra. Estas perdidas causan reducción de la potencia de luz, lo que con llevan a la reducción del ancho de banda, la velocidad de transmisión de información, eficiencia y capacidad total del sistema. Las perdidas predominantes son: 1.Pérdidas por absorción 2.Perdidas por dispersión de Rayleigh o materiales 3.Dispersion cromática o de longitud de onda
Mala alineación angular
4.Perdidas de radiación 5.Dispersion modal 6. Perdidas por acoplamiento
Acabado de superficie
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Hoy en día la fibra óptica es usada para muchas aplicaciones, como por ejemplo, en las comunicaciones (como hemos nombrado an teriormente), en iluminación (lámparas, cubre lechos, ropa), FTP (Par trenzado de fibras ópticas), y sensores entre otros. Ac á se nombraran las mas importantes:
Comunicaciones: Como se hablaba anteriormente la fibra óptica se utiliza como medio de transmisión para las redes de telecomunicaciones; ya que se pueden agrupar varias fibras en un solo cable. Se pueden utilizar de vidrio, de plástico o mixto. En el caso de conexiones como las de los bancos (descritas anteriormente) se utilizan fibras de vidrio, por su baja atenuación. FTP:Esta es una variante de la fibra óptica, se le llama par trenzado de fibra; como su nombre lo indica es una combinación de fibra óptica y par trenzado, es utilizada ya que ofrece una velocidad de 10 Gb/s. Esta combinación sólo esta disponible para aplicaciones militares y cuesta tres veces mas de lo que cuesta una fibra óptica convencional. Sensores de Fibra Óptica: Las fibras ópticas también se utilizan para construir sensores de un tamaño pequeño; poseen grandes ventajas con respecto a los sensores eléctricos, ya que por ellos no circula ninguna corriente, su manipulación es mas segura y fácil. Algunos de estos sensores miden presión, temperatura, tensión, entre otros. También se utilizan como hidrófonos y algunas aplicaciones de sonar. Iluminación: En la actualidad ha aumentado las aplicaciones y los usos, al principio solo se conocía la fibra por las lámparas pero ahora existen diferentes objetos con esta tecnología. Las ventajas de la utilización de la fibra son grandes, por ejemplo, falta de disipación de potencia (calor), falta de electricidad, cambio de iluminación sin necesidad de cambio de la fuente ( de la lámpara) y se puede colocar iluminar varias fibras con una sola fuente. Guía de Onda La fibra óptica es utilizada en edificios para su iluminación. La luz puede ser recogida en la azotea y luego se transporta mediante la fibra óptica por la parte del edificio deseada. La fibra óptica sirve para modificar el sistema de los taxímetros ; la modificación produce que el taxímetro no marque el costo real. LA fibra óptica sirve para construir hormigón translúcido; fue inventado por el húngaro Ron Losonczi. La mezcla consiste en hormigón y fibra óptica formando un nuevo material que posee la resistencia del hormigón y la trasparencia de la fibra óptica.
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