Journal Club 2021 | Gruppo Struttura Fotonica Tanabe

Club del giornale

Per anno (aprile-dicembre)

＜Sessione di ascolto del "Journal Club".

ANNO FISCALE 2021.

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La generazione di cristalli di solitoni perfetti (PSC) in microcavità pompate con modulazione di fase subarmonica è studiata numericamente. Parte della componente di frequenza modulata della pompa viene accoppiata nella microcavità attraverso l'effetto verniero tra il modo modulato della pompa e il modo del risonatore, formando onde periodiche a cinguettio per la formazione di solitoni. Grazie alla maggiore efficienza della pompa, sono stati dimostrati PSC con 5-20 solitoni in risonatori micro-ottici con FSR di circa 10 GHz. Inoltre, è stato dimostrato che, rimuovendo il modulatore, è possibile ridurre la potenza della pompa mantenendo lo stato PSC. Lo schema proposto fornisce un nuovo metodo per lo studio della dinamica dei solitoni e aumenta il grado di libertà nell'applicazione dei solitoni.

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I fasci di elettroni liberi sono sonde versatili della microstruttura e della composizione. L'interazione tra elettroni e fotoni ha portato a sviluppi significativi nei metodi di imaging e nelle tecniche di microscopia 4D nell'ultimo decennio. Tuttavia, i fasci di elettroni sono solitamente solo debolmente accoppiati alla luce e sono necessarie interazioni più forti per il controllo e il rilevamento degli elettroni.
In questo studio, viene utilizzato un risonatore a galleria di sussurri per accoppiare il fascio di elettroni liberi con il modo del risonatore.
In questo modo è stato possibile estendere l'ampiezza spettrale degli elettroni propagati a 700 elettronvolt.

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I circuiti ottici integrati hanno attirato l'attenzione negli ultimi anni perché sono poco costosi e consentono la fabbricazione di elementi ottici delle dimensioni di un chip. Tra questi, i laser sono un elemento importante nei circuiti ottici integrati e recentemente sono stati completamente integrati con guide d'onda SiN mediante integrazione eterogenea multistrato. Tuttavia, alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, dove si concentrano le applicazioni fotoniche, non esistono ancora laser con un'elevata resa del dispositivo e un'alta potenza di uscita, a causa delle grandi perdite di transizione di modo, dei design non ottimizzati dei risonatori e dei complessi processi di produzione. Nel presente documento, questo
Gli autori hanno presentato un laser SiN ad alte prestazioni con una potenza di uscita di decine di milliwatt e una larghezza di linea fondamentale inferiore a kHz attraverso una guida d'onda SiN, risolvendo i problemi descritti nella sezione precedente.

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I pettini di solitoni hanno attirato l'attenzione come sorgente luminosa compatta a pettine di frequenza, ma la loro bassa efficienza di conversione è un problema. In questo lavoro, un pettine di solitoni altamente efficiente e a banda larga viene realizzato mediante l'eccitazione pulsata di un risonatore in nitruro di silicio a bassa dispersione. L'effetto del jitter della luce di eccitazione sul soliton comb viene chiarito quantitativamente.

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L'articolo dimostra che un pettine di frequenza di microcavità eccitate da un singolo laser viene utilizzato per la trasmissione di dati ad alta velocità utilizzando lo schema IMDD: schema di modulazione NRZ a 30 Gb/s e schema di modulazione PAM4 a 60 Gb/s con trasmissione di dati a 120 Gb/s e 240 Gb/s, rispettivamente, su 2 km ottici. Le velocità di trasmissione dei dati superano le distanze raggiungibili, le velocità di trasmissione dei dati a corsia singola e le velocità di trasmissione dei dati aggregati specificate negli accordi multi-sorgente PSM4 (Parallel Single Mode) e CWDM4 (Course Wavelength Division Multiplex). La perdita di potenza estremamente bassa, pari a 0,1 dB rispetto alla caratterizzazione back-to-back, dimostra inoltre che la trasmissione di dati ad alta velocità mediante micro-risonatori a pettine di frequenza compatibili con CMOS è una tecnologia fattibile per il settore dei ricetrasmettitori per centri dati, sensibile ai costi e alla potenza. La tecnologia è stata sviluppata nel settore dei ricetrasmettitori per centri dati, che è sensibile ai costi e alla potenza.

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Le metasuperfici sono materiali artificiali composti da matrici nanostrutturate di lunghezza d'onda inferiore, che consentono una versatile ingegneria del fronte d'onda come strumento per il controllo di fase. In questo lavoro, viene dimostrato un nuovo meccanismo di controllo della fase sfruttando le caratteristiche topologiche in prossimità della singolarità delle metasuperfici non ermetiche.

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È stato dimostrato un metodo a consumo zero di energia per la sintonizzazione della frequenza di risonanza nei risonatori microring al silicio, utilizzando chip microfluidici stampati in 3D direttamente sovrapposti a un circuito ottico. Negli esperimenti sono state utilizzate diverse concentrazioni di soluzioni acquose di NaCl e sono stati ottenuti spostamenti della frequenza di risonanza al di sopra della regione spettrale libera, ad esempio con concentrazioni di NaCl di circa 10%.

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Il controllo delle proprietà topologiche dei sistemi fisici è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi e tecnologie resistenti ai difetti. Questo articolo propone una piattaforma fotonica la cui dinamica fondamentale è guidata e regolata dall'interazione tra topologia, non vicinanza e non linearità. Il controllo non lineare della simmetria parità-tempo e il ripristino o la distruzione per non linearità di stati topologici non hermitiani sono dimostrati utilizzando reticoli fotonici con guide d'onda scritte al laser in modo continuo ('guadagno') o diviso ('perdita') e accoppiate a difetti interfacciali. Questi concetti possono essere applicati a un'ampia gamma di sistemi non hermitiani con guadagni e perdite dipendenti dall'intensità, aprendo la possibilità di nuovi approcci alla manipolazione della luce.

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Le reti neurali ottiche (ONN) sono implementate utilizzando interferometri Mach-Zehnder (MZI) in cascata e rappresentano una potenziale alternativa all'hardware tradizionale per il deep learning; le ONN raggiungono un'elevata efficienza energetica e velocità di calcolo rispetto alle reti neurali elettriche tradizionali, ma ma richiedono un grande ingombro a causa degli MZI. Il presente lavoro risolve questo problema utilizzando un accoppiatore con simmetria parità-tempo al posto dell'MZI e propone la possibilità di implementazioni ONN ancora più veloci e a basso consumo energetico rispetto a quelle che utilizzano l'MZI.

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I solitoni dissipativi, impulsi mode-locked generati in microcavità, hanno una varietà di potenziali applicazioni nelle comunicazioni e nella spettroscopia. Tuttavia, rimane difficile generare in modo deterministico lo stato di solitone fondamentale. In questo studio dimostriamo teoricamente che è possibile far evolvere in modo deterministico non solo lo stato solitonico fondamentale, ma anche stati solitonici multipli e stati cristallini solitonici applicando continuamente impulsi di alta energia a una pompa esterna a onda continua. Questo metodo ha il potenziale per la generazione di solitoni "chiavi in mano", in quanto non è necessaria la scansione della frequenza della pompa a onda continua.

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È stato realizzato un supercanale a 52 linee da un microcomputer a solitoni, che ha raggiunto un'efficienza spettrale di 10 bit/s/Hz per una trasmissione di 80 km e di 6 it/s/Hz per una trasmissione di 2100 km. Sono stati dimostrati la fattibilità e i vantaggi della generazione di forme d'onda a banda larga direttamente dall'uscita di un dispositivo in microscala a frequenze di simboli vicine alla frequenza di ripetizione del pettine.

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Negli ultimi anni, la modellazione del fronte d'onda con gli scatterer ha consentito una manipolazione ottica superiore a quella convenzionale, ad esempio la messa a fuoco di sotto-lunghezze d'onda senza aberrazioni. Tuttavia, è necessario misurare l'input-output dello scatterer e la sfida della misurazione rappresenta un ostacolo all'uso pratico. Il contenuto di questo articolo supera questa sfida utilizzando metasuperfici casuali il cui disegno è noto in anticipo. Inoltre, utilizzando le metasuperfici, l'imaging viene esteso a un campo visivo di circa 8 mm con una messa a fuoco ad alta apertura.

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Viene presentato un MEMS ottico basato su risonatori microtoroidali di SiO2. La rapida sintonizzazione dei modi risonanti mediante "sintonizzazione capacitiva" è stata ottenuta utilizzando un risonatore WGM con elettrodi sagomati. Tale sintonizzazione consente un'efficiente conversione di frequenza dalle radiofrequenze alle frequenze ottiche e applicazioni come gli interruttori ottici.

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Le sorgenti di luce quantistica, in particolare le coppie di fotoni correlati indistinguibili in tutti i gradi di libertà, sono fondamentali per il calcolo e la simulazione ottica quantistica. Tali sorgenti di luce sono state recentemente realizzate utilizzando la fotonica integrata, ma la loro dipendenza da un singolo componente, come un risonatore ad anello, limita la capacità di sintonizzare la correlazione spettrale e temporale tra i fotoni generati. In questo studio, una sorgente sintonizzabile di coppie di fotoni indistinguibili è stata realizzata utilizzando la miscelazione spontanea a quattro onde a doppia pompa in un sistema topologico costituito da un risonatore ad array bidimensionale. In questo studio, la larghezza di banda spettrale è stata regolata sfruttando la dispersione lineare degli stati limite topologici (con un fattore di circa 3,5) e l'interferenza quantistica tra i fotoni generati è stata regolata regolando le due frequenze di pompa. Inoltre, è stato dimostrato l'entanglement energia-tempo e la robustezza topologica della sorgente è stata confermata mediante simulazioni numeriche. I risultati di questo lavoro potrebbero portare a sorgenti di luce quantistica a frequenza multipla sintonizzabile per realizzare la tecnologia ottica quantistica.

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La luce con momento angolare orbitale spazio-temporale (ST-OAM) è un tipo di campo elettromagnetico localizzato strutturato, scoperto di recente, con una struttura di fase a spirale spazio-temporale e un momento angolare orbitale intrinseco trasversale. In questo articolo viene presentata la generazione e la caratterizzazione della seconda armonica degli impulsi ST-OAM. Gli esperimenti suggeriscono anche una non-linearità generale degli ST-OAM, analoga al momento angolare orbitale della luce convenzionale.

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In questo studio, il controllo non reciproco dei solitoni dissipativi viene effettuato utilizzando una microcavità rotante. La non reciprocità è dovuta all'effetto di trascinamento ottico di Sagnac-Fizeau, che genera stati di solitoni diversi per la luce che viaggia nella direzione di rotazione del risonatore e per quella che viaggia nella direzione opposta. Questo risultato offre un percorso promettente verso isolatori ottici basati sui solitoni e la comunicazione unidirezionale a solitoni.

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In questo articolo viene studiata teoricamente la generazione di impulsi scuri respiratori e di pettini Raman Kerr in microcavità di silicio sotto l'influenza dello scattering Raman indotto e della dispersione di ordine superiore. Gli impulsi scuri esistono solo in microcavità con un FSR relativamente grande rispetto alla larghezza di linea del guadagno Raman. Gli impulsi scuri indotti dalla dispersione di ordine superiore dipendono principalmente dall'ampiezza e dal segno del coefficiente di dispersione di terzo ordine e le loro proprietà sono influenzate anche dal processo di miscelazione a quattro onde assistito dal Raman. La conoscenza della loro esistenza aiuterà a comprendere meglio le instabilità associate alla formazione del pettine Raman Kerr nelle microcavità che presentano una dispersione normale e a evitare queste instabilità per le applicazioni pratiche. Inoltre, le microcombs MIR a banda larga generate tramite onde dispersive consentono una maggiore libertà nella fabbricazione di risonatori e nell'acquisizione di pettini di frequenza su piattaforme in cui la dispersione normale è dominante.

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Il niobato di litio (LN) ha un grande coefficiente ottico non lineare del secondo e terzo ordine ed è stato applicato in varie applicazioni. Tuttavia, l'interazione tra l'effetto Raman e altri effetti ottici non lineari negli LN non è stata ancora ben studiata. In questo lavoro, l'effetto Raman viene valutato per le microcavità basate su LN. Vengono generati Kercomb ottici generati da effetti ottici non lineari e viene valutata l'influenza dell'effetto Raman sulla generazione di Kercomb ottici.

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È stato proposto un laser a cristalli fotonici (o laser a cristalli fotonici a emissione superficiale (PCSEL)) con sezioni di guadagno e di perdita disposte in due dimensioni, in cui la sezione di perdita è costituita da un assorbitore saturabile, che consente il funzionamento a impulsi brevi con un'elevata potenza di picco (da decine a centinaia di watt o più) a basso costo e con una compattezza difficile da ottenere con i laser a semiconduttore convenzionali. PCSEL)). Il comportamento di guadagno e perdita del PCSEL è stato analizzato e progettato tenendo conto dell'interazione tra portatori e fotoni, e la struttura è stata dimostrata in grado di consentire un funzionamento stabile ad alta potenza di picco ad impulsi brevi nella pratica.

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I solitoni "chiavi in mano", che possono generare una combinazione di solitoni semplicemente applicando una corrente elettrica, hanno suscitato grande scalpore quando sono stati pubblicati su Nature lo scorso anno. Accoppiando direttamente un micro risonatore ottico a un laser a semiconduttore e inducendo un blocco di autoiniezione, il laser viene automaticamente risintonizzato, eliminando la necessità di meccanismi complessi per controllare la lunghezza d'onda del laser. Formando il laser a semiconduttore e il risonatore in nitruro di silicio sullo stesso substrato, che in precedenza erano stati formati su chip separati, il lavoro è riuscito a integrare ulteriormente il solitone chiavi in mano, portandolo molto più vicino all'applicazione pratica come sorgente di luce a più lunghezze d'onda.

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I pettini di frequenza ottici basati su microcavità WGM hanno un grande potenziale per ottenere un'elevata efficienza spettrale ed energetica nei sistemi di trasmissione WDM. Tuttavia, le applicazioni di comunicazione delle microsfere di silice sono state poco studiate. In questo lavoro, un pettine di frequenza ottico a 200 GHz con microsfere di silice viene studiato e ottimizzato numericamente e la sua implementazione in un sistema di trasmissione WDM a quattro canali viene simulata.

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Il controllo della polarizzazione è una tecnologia molto importante e ha molte applicazioni possibili. Tuttavia, le ottiche di polarizzazione esistenti possono manipolare la polarizzazione solo su un singolo piano trasversale. In questo articolo viene proposta una nuova metasuperficie, che è indipendente dalla polarizzazione incidente e fornisce una risposta di polarizzazione arbitraria lungo la direzione di propagazione. Questa tecnica consente una maggiore libertà nella progettazione delle metasuperfici e può estendere l'uso delle metasuperfici a più situazioni.

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La fabbricazione di dispositivi ottici con i liquidi ha attirato molta attenzione come un'affascinante area di ricerca. La sintonizzazione della frequenza di tali dispositivi ottici attraverso un controllo riconfigurabile della forma è stata considerata difficile a causa delle proprietà intrinseche dei liquidi. In questo lavoro, un microlaser WGM composto interamente da liquido sulla superficie di una soluzione acquosa è stato fabbricato utilizzando un metodo a getto d'inchiostro e la tensione superficiale tra la soluzione acquosa e il microlaser WGM è stata controllata utilizzando un tensioattivo per sintonizzare con successo la frequenza del laser mantenendo una geometria riconfigurabile. Questa tecnica è stata utilizzata anche per il rilevamento di composti organici solubili in acqua. Si prevede che i risultati saranno applicati anche al rilevamento dei fluidi e al biosensing a livello microscopico.

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I computer quantistici possono eseguire alcuni calcoli considerati troppo complicati per i computer classici. Il campionamento dei bosoni è uno di questi calcoli, che in questo studio è stato eseguito inserendo 50 stati compressi monomodali non identificabili in un interferometro a 100 modalità a bassissima perdita con connettività completa e matrici casuali, e campionandoli utilizzando 100 rivelatori di fotoni singoli ad alta efficienza. La dimensione dello spazio degli stati in uscita è di 10^30 e la velocità di campionamento è 10^14 più veloce rispetto all'uso di un supercomputer di ultima generazione, con il risultato che lo spazio degli stati in uscita è 10^30.

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I sistemi non ermetici con punti eccezionali (OPO) hanno il potenziale per indurre molti fenomeni peculiari in vari campi, che vanno dalla fotonica, all'acustica, all'ottica e all'elettronica fino alla fisica atomica. In questo articolo viene presentato un sistema non-Hermite con oscillatori ottici parametrici (OPO) accoppiati e vengono evidenziati i suoi vantaggi rispetto ai sistemi non-Hermite convenzionali, che dipendono dal guadagno e dalla perdita del laser. In particolare, viene mostrata la rottura della simmetria di parità spettrale dovuta a due OPO accoppiati e viene presentato l'EP tra il loro funzionamento degenerato e non degenerato.

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Un laser Brillouin è generato dalla diffusione Brillouin indotta in un risonatore micro-ottico e un solitone dissipativo di Kerr è generato nello stesso risonatore utilizzando il laser Brillouin come luce di eccitazione.
In questa tecnica, la luce di ingresso è blu-detuning rispetto alla frequenza di risonanza e il laser Brillouin può essere generato rosso-detuning, in modo da poter accedere a un singolo solitone con un semplice sweep di lunghezza d'onda da parte del laser piezo. Inoltre, grazie alla larghezza di linea ultra-stretta e alle proprietà di basso rumore del laser Brillouin generato, i solitoni osservati mostrano linee di pettine strette e velocità di ripetizione stabili.

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Nelle reti di accesso radio di quinta generazione (5G) sono attese migliori prestazioni in termini di velocità di trasmissione dei dati, consumo energetico e larghezza di banda, e questo non fa eccezione per le reti ottiche passive (PON) in 5G.
Questo studio dimostra la trasmissione simultanea senza errori di dati e segnali di clock utilizzando un pettine ottico di frequenza generato dalla commutazione del guadagno di un laser a cavità verticale a emissione superficiale (VCSEL). L'applicazione è prevista per i sistemi di rete ottica passiva a divisione di lunghezza d'onda (WDM-PON) di prossima generazione. Nelle future WDM-PON, che richiedono una maggiore capacità di canale e un rigoroso monitoraggio del ritardo, i risultati di questo studio suggeriscono che il pettine di frequenza ottico basato su VCSEL può essere utilizzato come sorgente luminosa in grado di realizzare reti semplici e a risparmio energetico.

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I cristalli di solitoni costituiti da impulsi temporali equidistanti sono un mezzo efficace per ottenere velocità di ripetizione elevatissime. In questo articolo si studia la generazione di cristalli di solitoni in presenza di un accoppiamento di modo non lineare. Si dimostra che i cristalli di solitoni perfetti possono essere realizzati in modo affidabile in condizioni appropriate di disallineamento del vettore d'onda e di coefficiente di accoppiamento non lineare.

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In questo studio viene proposto un nuovo approccio all'accoppiatore di bordo a punta di fibra con grandi dimensioni di modo per le guide d'onda fotoniche a filo sottile in silicio. L'accoppiatore di bordo è una struttura multipla costituita da più strati di nitruro di silicio incorporati in un rivestimento superiore di SiO2, una guida d'onda curva e due sezioni SSC (spot size converter). L'accoppiatore di bordo è stato progettato per fibre SMF-28 con un diametro del campo di modo (MFD) di 8,2 µm a una lunghezza d'onda di 1550 nm e un rapporto di accoppiamento complessivo del 90%.

Nature 591, 54-60 (2021).
J. M. Arrazola, V. Bergholm, K. Brádler, T. R. Bromley, M. J. Collins, I. Dhand, A. Fumagalli, T. Gerrits, A. Goussev, L. G. Helt, J. Hundal, T. Isacsson, R. B. Israel, J. Izaac, S. Jahangiri, R. Janik, N. Killoran, S. P. Kumar, J. Lavoie, A. E. Lita, D. H. Mahler, M. Menotti, B. Morrison, S. W. Nam, L. Neuhaus, H. Y. Qi, N. Quesada, A. Repingon, K. K. Sabapathy, M. Schuld, D. Su, J. Swinarton, A. Száva, K. Tan, P. Tan, V. D. Vaidya, Z. Vernon, Z. Zabaneh & Y. Zhang

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Il passaggio all'informatica quantistica pratica ha portato a una proliferazione di macchine programmabili per l'esecuzione di algoritmi quantistici. Questo articolo presenta un sistema che utilizza la tecnologia nanofotonica integrata per eseguire circuiti quantistici multifotone.

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Quando una combinazione di solitoni generata su un micro risonatore ottico viene rilevata da un fotorivelatore, è possibile generare un segnale RF da decine a centinaia di GHz, a seconda della frequenza di ripetizione. Tali segnali RF presentano caratteristiche di rumore di fase superiori a quelle dei generatori di segnale e sono quindi destinati a diventare una sorgente di segnali RF di prossima generazione. In questo articolo, i fattori del rumore di fase vengono chiariti mediante calcoli numerici ed esperimenti empirici, al fine di ottenere prestazioni superiori.

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Chiunque può iscriversi.

Che cos'è il Journal Club?
Si tratta di una serie di conferenze aperte che si tengono nel Tanabe Photonic Structures Laboratory. Gli studenti, a partire dal livello post-laurea, esaminano documenti relativi all'ottica e alle tecnologie correlate, come la fotonica, i materiali, le bioscienze, ecc. e li spiegano in modo semplice e comprensibile.

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Le conferenze sono gratuite, indipendentemente dal fatto che ci si trovi all'interno o all'esterno del campus. Le conferenze si terranno regolarmente, quindi se siete interessati a qualche argomento, venite e partecipate. Non è necessario un preavviso per partecipare, ma se ci contattate in anticipo, prepareremo il materiale per voi.

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