DE10064579A1 - Wellenleiterkreuzung und Anordnung zur Überwachung einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter - Google Patents
Wellenleiterkreuzung und Anordnung zur Überwachung einer Mehrzahl integriert-optischer WellenleiterInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wellenleiterkreuzung mit einem ersten integriert-optischen Wellenleiter (6) und einem zweiten integriert-optischen Wellenleiter (7), die einander kreuzen. Erfindungsgemäß ist der zweite Wellenleiter (7) im Kreuzungsbereich (8) unterbrochen ausgebildet. Weiter betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Überwachung der Signale einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter eines Arrays, wobei aus jedem Wellenleiter ein Überwachungssignal in einen Überwachungswellenleiter ausgekoppelt wird. Dabei kreuzt der ausgekoppelte Überwachungswellenleiter die weiteren Wellenleiter des Arrays mittels einer Wellenleiterkreuzung, bei der der Überwachungswellenleiter im Kreuzungsbereich jeweils unterbrochen ausgebildet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Wellenleiterkreuzung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur Überwa
chung einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Es tritt bei integriert-optischen Wellenleitern eines Arrays
häufig das Problem auf, die Signale der einzelnen Kanäle auf
dem gleichen Pegel/Level zu halten. Zur Erzeugung eines
gleichmäßigen Pegels der Signale der einzelnen Kanäle sind
integriert-optische Abschwächer-Arrays bekannt, die eine
kanalabhängige Abschwächung des Pegels einzelner Datenkanäle
des Arrays bewirken. Durch die kanalabhängige Schwächung
können unterschiedliche Pegel abgeglichen werden
(Equalizing). Dabei ist es erforderlich, die Einzelkanäle des
Arrays meßtechnisch zu überwachen.
Die meßtechnische Überwachung der Einzelkanäle eines Arrays
integriert-optischer Wellenleiter ist auch bei Wellenlängen-
Multiplexanordnungen oder anderen Arraykomponenten von
zentraler Bedeutung.
Zur Überwachung der Leistung oder anderer Parameter ist es
bekannt, aus jedem Wellenleiter des Arrays vor und/oder nach
einem zu überwachenden Bauteil einen kleinen Teil der
optischen Leistung, typischerweise zwischen einem und zehn
Prozent, auszukoppeln und die ausgekoppelten
Überwachungssignale einer Auswerteinheit, meist einem
seitlich montierten Array von Fotodioden zuzuführen.
Fig. 3 zeigt diesen Stand der Technik in schematischer
Darstellung. Vor und nach einem zu überwachenden Bauteil 3
wird eine Überwachung der Einzelkanäle 11-1n eines Arrays 1
vorgenommen. Alternativ erfolgt lediglich vor oder nach dem
Bauteil 3 eine solche Überwachung. Das zu überwachende Signal
wird mittels schwach angekoppelter Richtkoppler 4 ("Tap-
Koppler") in Überwachungswellenleiter 101-10n eingekoppelt.
Diese werden auf Kreisbögen von dem Array 1 weg- und einer
Überwachungseinheit 2 zugeführt.
Dabei kreuzt jeder Überwachungswellenleiter 101-10n auf
seinem Weg zu der Überwachungseinheit 2 zwischen 0 und n - 1
Wellenleiter des Arrays 1, je nach Kanal. Die Überkreuzungen
der Überwachungswellenleiter mit den signalführenden
Wellenleitern des Arrays führen zum einen zu kanalabhängigen
Verlusten ("Tilt") und zum anderen zu einem Nebensprechen der
anderen Wellenleiter des Arrays.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wellenleiterkreuzung und
eine Anordnung zur Überwachung einer Mehrzahl integriert
optischer Wellenleiter eines Arrays zur Verfügung zu stellen,
die eine meßtechnische Überwachung der Wellenleiter eines
Arrays unter Reduzierung der Signalverluste in den
Wellenleitern ermöglichen und zusätzlich ein unerwünschtes
Nebensprechen weitgehend vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch eine Wellenleiterkreuzung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Anordnung zur Überwachung
einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter eines Arrays
mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte und vor
teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran
sprüchen angegeben.
Danach zeichnet sich eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreu
zung dadurch aus, daß der zweite Wellenleiter im Kreuzungsbe
reich mit dem ersten Wellenleiter unterbrochen ausgebildet
ist. Der erste Wellenleiter dient dabei in der Regel zur
Übertragung eines Datensignals, während der zweite
Wellenleiter ein aus einem Datensignal ausgekoppeltes
Überwachungssignal transportiert. Durch die erfindungsgemäße
Wellenleiterkreuzung wird bei der Kreuzung der Wellenleiter
nur das Überwachungssignal, nicht jedoch der überkreuzte
Datenstrom gestört. Hierdurch werden die Signalverluste an
der Wellenleiterkreuzung erheblich reduziert und ein
Nebensprechen im wesentlichen vermieden, da Signale des
kreuzenden, unterbrochenen Wellenleiters kaum noch in den
ersten Wellenleiter eingekoppelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der
zweite Wellenleiter nach der Unterbrechung in Signalrichtung
eine größere Breite auf als vor der Unterbrechung. Die Breite
des im Kreuzungsbereich unterbrochenen Wellenleiters wird
also nach der Kreuzung vergrößert. Hierdurch werden die
Verluste des Überwachungssignals im Kreuzungsbereich
reduziert, da im Vergleich zu einer konstanten Breite ein
größerer Teil des vor der Wellenleiterkreuzung abgestrahlten
Signals in die Weiterführung des Überwachungswellenleiters
nach der Wellenleiterkreuzung eingekoppelt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist
der zweite Wellenleiter gegenüber dem ersten Wellenleiter
gekippt angeordnet, und zwar bevorzugt um einen kleinen
Winkel zwischen 5° und 10°. Zwar liegt die Reflektanz einer
erfindungsgemäßen Wellenleiterkreuzung aufgrund der
üblicherweise verwendeten kleinen Brechungshübe zwischen dem
Material der Lichtwellenleiter und dem umgebenden Material
(Δn = 5 × 10-3) meist unterhalb -40 dB und ist daher ohnehin
ohne Bedeutung. Durch die Verkippung der Wellenleiter wird
die Reflektanz jedoch um weitere 20 bis 30 dB reduziert.
Bevorzugt weist der zweite Wellenleiter an seinen Unterbre
chungsstellen einen Abstand vom ersten Wellenleiter auf, in
dem das elektromagnetische Feld des ersten Wellenleiters auf
einen vorbestimmten Wert abgefallen ist, beispielsweise auf
einen Wert von 1% des maximalen Wertes. Hierdurch wird sichergestellt,
daß im Kreuzungsbereich das elektromagnetische
Feld des ersten Wellenleiters lediglich in vernachlässigbar
geringem Maße in den zweiten Wellenleiter eingekoppelt wird.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Überwachung der
Signale einer Mehrzahl integriert-optischer Wellenleiter
eines Arrays ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein ausge
koppelter Überwachungswellenleiter die weiteren Wellenleiter
des Arrays jeweils mit einer Wellenleiterkreuzung kreuzt, bei
der der Überwachungswellenleiter im Kreuzungsbereich
unterbrochen ist. Der Datenstrom der Wellenleiter des Arrays
wird durch die erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung somit
nicht gestört, lediglich das Überwachungssignal der
Überwachsungswellenleiter.
Es hat sich dabei herausgestellt, daß die dabei auftretenden
Verluste des Überwachungssignals relativ gering sind und pro
Kreuzung im Bereich von unterhalb 0,1 dB liegen.
Bevorzugt nimmt die Breite der Überwachungswellenleiter nach
jeder Wellenleiterkreuzung zu. Dies führt zwar dazu, daß der
Wellenleiter zunehmend mehrmodig wird. Dies ist jedoch
unproblematisch bei niederpreisigen Einsatzgebieten, bei
denen das Überwachungssignal direkt oder über eine
Multimodefaser an eine Photodiode angekoppelt wird.
Bevorzugt wird ein Überwachungssignal jeweils über einen
Richtkoppler in einen Überwachungswellenleiter eingekoppelt,
wobei am Ende des Richtkopplers bevorzugt optische
Umlenkmittel zur Umlenkung des Überwachungssignals in den
Überwachungswellenleiter vorgesehen sind. Die optischen
Umlenkmittel sind insbesondere kleine Wellenleiterspiegel,
die in Form von Ätzgräben ausgebildet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
sind den Überwachungswellenleitern insbesondere kurz vor
ihrer Einkoppelung in die Auswerteinheit (Photodiode)
seitliche Spiegel zugeordnet. Diese seitlichen Spiegel werden
bevorzugt durch Ätzgräben realisiert, die rechts und links
der Überwachungswellenleiter angeordnet sind. Die seitlichen
Spiegel reduzieren die Einkopplung von parasitärem Licht in
die Auswerteinheit, das beispielsweise durch an den
Wellenleiterkreuzungen abgestrahlte Leitung entsteht.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung passieren
einige der Überwachungswellenleiter auf ihrem Weg zu der
Auswerteinheit zusätzliche Wellenleiterkreuzungen. Dies
erfolgt derart, daß jeder Überwachungswellenleiter vor
Einkopplung in die Auswerteinheit die gleiche Anzahl von
Wellenleiterkreuzungen durchlaufen hat. Hierdurch wird si
chergestellt, daß die Überwachungssignale einen
kanalunabhängigen Verlust erleiden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Figuren der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung;
Fig. 2 eine Anordnung zur Überwachung eines 8-Kanal
Wellenleiterarrays mit erfindungsgemäßen
Wellenleiterkreuzungen;
Fig. 3 eine Überwachungsanordnung gemäß dem Stand
der Technik;
Fig. 4 eine Wellenleiterkreuzung gemäß dem Stand
der Technik und
Fig. 5 die Feldverteilung entlang eines
Überwachunswellenleiterkanals, der mehrere
erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzungen
durchläuft.
Überwachungsanordnungen gemäß dem Stand der Technik waren
eingangs anhand der Fig. 3 erläutert worden. Dabei ist
vorgesehen, daß aus integriert-optischen Wellenleitern 11-1n
eines Arrays 1 ausgekoppelte Überwachungssignale auf dem Weg
zu einer Auswerteinheit 2 zwischen 0 und n - 1 Wellenleiter
1n-1, 1n-2, . ., 11 des Arrays 1 passieren, und zwar jeweils
mittels einer Wellenleiterkreuzung 5, wie sie schematisch in
Fig. 4 dargestellt ist. Danach kreuzen sich die
Wellenleitermaterialien der planaren Lichtwellenleiter 51, 52
in einem Kreuzungsbereich 53. Im Kreuzungsbereich 53 werden
Signale des Wellenleiter 51 in den Wellenleiter 52
eingekoppelt und umgekehrt.
Eine erfindungsgemäße Wellenleiterkreuzung ist in Fig. 1
dargestellt. Danach ist ein erster integriert-optischer
Wellenleiter 6 durchgehend ausgebildet, während ein zweiter,
kreuzender integriert-optisch ausgebildeter Wellenleiter 7
in einem Kreuzungsbereich 8 unterbrochen ist. Bevorzugt
überträgt der erste Wellenleiter 6 (beispielsweise in
Richtung des Pfeils A) ein Datensignal und der zweite
Wellenleiter 7 (beispielsweise in Richtung des Pfeils B) ein
Überwachungssignal. Die Wellenleiterkreuzung ermöglicht, daß
der Datenstrom des ersten Wellenleiters 6 durch die Kreuzung
8 nicht gestört wird. Es findet lediglich aufgrund der Unter
brechung eine Störung des Überwachungssignals 7 statt, die
jedoch unproblematisch ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der erste
Wellenleiter 6 eine Breite a von 8 µm auf. Der zweite
Wellenleiter weist eine Breite b von zunächst 10 µm vor der
Wellenleiterkreuzung 8 und von 11,2 µm hinter der Wellenlei
terkreuzung 8 auf. Durch diese Verbreiterung des zweiten
Wellenleiters 7 wird sichergestellt, daß ein hoher Anteil des
Lichtsignals nach Überqueren der Kreuzung 8 wieder in den
sich anschließenden Abschnitt des Wellenleiters 7
eingekoppelt wird.
Der der Unterschied Δn zwischen der Brechzahl des
Leitermaterials und der Brechzahl des umgebenden, planaren
Substrats beträgt im Ausführungsbeispiel 5 × 10-3. Das
Wellenleitermaterial ist beispielsweise SI02, das Material
des umgebenden Substrats SI ist. Dies bedeuted, daß die
Reflektanz der Kreuzung 8 äußerst gering ist und unter einem
Wert vom -40 dB liegt.
Der Abstand zwischen den Unterbrechungsstellen 7a, 7b,
zwischen denen der zweite Wellenleiter 7 unterbrochen ist,
beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt 48 µm,
wobei der Abstand d von einer Unterbrechungsstelle 7a, 7b bis
zum kreuzenden Wellenleiter 6 jeweils 20 µm beträgt.
Allgemein ist dieser Abstand derart festzulegen, daß das
elektromagnetische Feld des ersten Wellenleiters 6 an den
Unterbrechungsstellen auf einen sehr niedrigen Wert
abgefallen ist, der bevorzugt unterhalb 1% des Maximalwertes
liegt.
Es wird darauf hingewiesen, daß in der Fig. 1 der zweite
Wellenleiter 7 den ersten Wellenleiter 6 in einem Winkel von
90° kreuzt. Es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfin
dung, den kreuzenden zweiten Wellenleiter 7 um einige Winkel
grade zu verkippen. Hierdurch wird die Reflektanz der
Kreuzung 8 um weitere 20 bis 30 dB reduziert.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen
Wellenleiterkreuzung. Es handelt sich um eine Leistungsüber
wachungsanordnung 9 für ein 8-Kanal Wellenleiterarray mit
acht Wellenleitern 61-68, die in einem planaren Substrat 10
integriert optisch ausgebildet sind jeweils einen Datenstrom
enthalten. Zur Auskopplung eines Überwachungssignals ist
jedem Wellenleiter 61-68 des Arrays ein Richtkoppler 20
zugeordnet, der einen kleinen Teil der optischen Leistung des
Wellenleiters, typischerweise zwischen einem und zehn Prozent
auskoppelt. Der Richtkoppler 20, auch als Tap-Koppler
bezeichnet, weist einen im wesentlichen parallel zu dem
Wellenleiter 61-68 verlaufenden Bereich auf, in dem sich die
Wellenleiter ählich wie aus der HF-Technik bekannt
beeinflussen und dementsprechend eine gewisse optische
Leistung aus dem Wellenleiter 61-68 ausgekoppelt wird.
Das ausgekoppelte Licht wird über einen Wellenleiterspiegel
21 jeweils in einen Überwachungswellenleiter 71-78
umgeleitet. Der Wellenleiterspiegel 21 ist beispielsweise
durch einen Ätzgraben im planaren Substrat 10 ausgebildet.
Der Überwachungswellenleiter 71-78 ist dabei im an den
Wellenleiterspiegel 21 unmittelbar angrenzenden Bereich, also
noch vor der ersten Wellenleiterkreuzung als Taper 7' mit
zunehmender Breite ausgebildet. Dies bewirkt eine gute
Führung des umgelenkten Überwachungssignals.
Das ausgekoppelte, in den Überwachungswellenleiter 71-78 um
geleitete Licht muß nun zwischen 0 und 7 weitere Wellenleiter
61, 62, . . ., 67 kreuzen. Die Kreuzung zwischen einem Überwa
chungswellenleiter 71-78 und einem Wellenleiter 61-67 des
Arrays erfolgt jeweils über eine erfindungsgemäße
Wellenleiterkreuzung gemäß Fig. 1. Der
Überwachungswellenleiter ist im Bereich der Wellenleiter des
Arrays somit jeweils unterbrochen. Hierdurch wird
sichergestellt, daß der überkreuzte Datenstrom des Array-Wel
lenleiters 61-78 zum einen nicht gestört und ein kanalabhän
giger Verlust ("Tilt") des Array-Wellenleiters verhindert und
zum anderen ein Nebensprechen durch den üblicherweise um 15
bis 20 dB stärkeren Datenstrom des Array-Wellenleiters 61-68
weitgehend vermieden wird.
Dabei ist vorgesehen, daß die Wellenleiterbreite des Überwa
chungswellenleiters 71-78 nach jeder Kreuzung zunimmt, so daß
die Signalverluste im Überwachungswellenleiter an jeder Kreu
zung gering gehalten werden.
Im folgenden werden die Größenverhältnisse bei einem bevor
zugten Ausführungsbeispiel angegeben. Die Breite der Wellenleiter
61-68 des Arrays beträgt wie in Fig. 1 acht µm. Der
Abstand der Wellenleiter im Richtkoppler beträgt 15 µm. Die
Verbreiterung der Wellenleiter im Taper 7' beträgt zwei µm.
So erfolgt eine Verbreiterung von acht µm auf zehn µm. Die
Wellenleiterbreite der Überwachungswellenleiter 71-78 erhöht
sich nach jeder Kreuzung um ca. 0,8 µm. Der Abstand der
Wellenleiter 61-68 des Arrays beträgt 400 µm. Die Berech
nungsindexdifferenz Δn zwischen dem Wellenleitermaterial und
dem umgebenden planaren Substrat 10 beträgt wiederum 5 × 10-3.
Nach Kreuzen der 0 bis n - 1 Wellenleiter werden die Überwa
chungswellenleiter 71-78 einem Array von Fotodioden (nicht
dargestellt) und anschließend einer Auswerteinheit zum
Auswerten der Überwachungssignale zugeführt. Vor Einkopplung
der Überwachungswellenleiter 71-78 in das Array von
Fotodioden sind seitlich der Überwachungswellenleiter Spiegel
22 zur Nebensprechreduktion vorgesehen. Die Spiegel 22 werden
bevorzugt als Ätzgräben rechts und links der
Überwachungswellenleiter ausgebildet. Sie verhindern die
Einkopplung von Untergrundrauschen und parasitärem Licht in
die Überwachungswellenleiter.
Fig. 5 zeigt beispielhaft eine gemessene Feldverteilung
entlang einem Überwachungswellenleiter 78, der eine Serie von
erfindungsgemäßen Kreuzungen durchläuft. Der Abstand der die
Datensignale übertragenden Wellenleiter beträgt jeweils 400 µm.
Bei einer Wellenlänge von 1,5 µm ergibt sich bei sieben
Überkreuzungen ein Verlust von lediglich ca. 0,54 dB. Dies
zeigt, daß trotz der Ünterbrechung der Überwachungswellenlei
ter an den Kreuzungspunkten ein ausreichend starkes Überwa
chungssignal übertragen wird.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf
das vorstehend dargestellte Ausführungsbeispiel. Wesentlich
für die Erfindung ist allein, daß eine Wellenleiterkreuzung
mit einem ersten integriert-optischen Wellenleiter in einem
zweiten integriert-optischen Wellenleiter derart ausgeführt
ist, daß der zweite Wellenleiter im Kreuzungsbereich
unterbrochen ist.
Claims (11)
1. Wellenleiterkreuzung mit einem ersten integriert
optischen Wellenleiter (6) und einem zweiten integriert
optischen Wellenleiter (7), die einander kreuzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Wellenleiter (7) im Kreuzungsbereich (8)
unterbrochen ausgebildet ist.
2. Wellenleiterkreuzung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter (7) nach
der Unterbrechung in Signalrichtung (B) eine größere Breite
(c) aufweist als vor der Unterbrechung.
3. Wellenleiterkreuzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Wellenleiter (7)
gegenüber dem ersten Wellenleiter (6) gekipppt angeordnet
ist.
4. Wellenleiterkreuzung nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Wellenleiter (6) ein Datensignal und der zweite
Wellenleiter (7) ein aus einem Datensignal ausgekoppeltes
Überwachungssignal überträgt.
5. Wellenleiterkreuzung nach mindestens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Wellenleiter (7) an den Unterbrechungsstellen
(7a, 7b) einen Abstand vom ersten Wellenleiter (6) aufweist,
in dem das elektromagnetische Feld des ersten Wellenleiters
(6) auf einen Vorbestimmten Wert, beispielsweise auf 1
Prozent abgefallen ist.
6. Anordnung zur Überwachung der Signale einer Mehrzahl
integriert-optischer Wellenleiter (61-68) eines Arrays, wobei
aus jedem Wellenleiter (61-68) ein Überwachungssignal in
einen Überwachungswellenleiter (71-78) ausgekoppelt wird und
dieser auf seinem Weg zu einer Auswerteinheit zwischen Null
und n - 1 Wellenleiter des Arrays passiert,
dadurch gekennzeichnet,
daß der ausgekoppelte Überwachungswellenleiter (71-78) die
weiteren Wellenleiter (61-69) des Arrays mittels einer
Wellenleiterkreuzung nach Anspruch 1 kreuzt, wobei der
Überwachungswellenleiter (71-78) im Kreuzungsbereich jeweils
unterbrochen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Breite des
Überwachungswellenleiters (71-78) nach jeder
Wellenleiterkreuzung zunimmt.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Überwachungssignal jeweils
über einen Richtkoppler (20) in einen
Überwachungswellenleiter (71-78) eingekoppelt wird.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß am Ende des Richtkopplers (20)
optische Umlenkmittel (21) zur Umlenkung des
Überwachungssignals in den Überwachungswellenleiter (71-78)
vorgesehen sind.
10. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß den
Überwachungswellenleitern (71-78) insbesondere kurz vor ihrer
Einkopplung in die Auswerteinheit seitliche Spiegel (22) zur
Nebensprechreduktion zugeordnet sind.
11. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einige der
Überwachungswellenleiter auf ihrem Weg zu der Auswerteinheit
zusätzliche Wellenleiterkreuzungen passieren, und zwar
derart, daß jeder Überwachungswellenleiter vor Einkopplung in
die Auswerteinheit die gleiche Anzahl von
Wellenleiterkreuzungen durchlaufen hat.
Priority Applications (1)
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Publications (2)
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- 2000-12-18 DE DE10064579A patent/DE10064579B4/de not_active Expired - Fee Related
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