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Anordnung zur justierbaren Ausrichtung eines Lichtwellen-
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leiters und Verfahren zur Justierung mit Hilfe einer solchen Anordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur justierbaren Ausrichtung eines
Lichtwellenleiters in bezug auf einen elektrooptischen oder optoelektrischen Wandler,
mit einem ersten Träger zur Halterung des Lichtwellenleiters und einem zweiten Träger
zur Halterung des Wandlers.
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Eine derartige Anordnung ist aus H.L. Althaus und G. Kuhn: "Lasersender
in Modulbauweise", Telcom Report 6 (1983), Beiheft "Nachrichtenübertragung mit Licht,
Seiten 90 bis 96 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird eine Laserdiode, die mittels
eines Trägers gehaltert ist, durch ein Peltierelement gekühlt. Die Laserdiode ist
mit einem kurzen Stück Anschlußfaser (pigtail) verstehen, das aus dem Lasermodul
herausgeführt ist. Die Lichteinkopplung der Laserdiode in die Anschlußfaser geschieht
über eine optische Anpassung des Faserendes unmittelbar vor der Laserdiode.
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Während des Laserbetriebs wird die Faser zur Diode justiert und fixiert,
so daß die Einkopplung einer optimalen Lichtleistung möglich ist. Bei dieser Art
der Ankopplung läßt sich der Lichtleistungspegel über die Monitordiode messen und
regeln.
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Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, daß bei besonders
hohen Anforderungen an die Lichteinkopplung der Laserdiode gewisse Dejustierungen
nicht ohne weiteres vernachlässigt werden können, die sich während des Befestigungsvorganges
ergeben können, insbesondere bei der Aushärtung eines Klebers, mit dem die Glasfaser
auf ihrem Träger befestigt wird.
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Aus der DE-PS 30 10 820 ist bereits eine Anordnung mit einer Haltevorrichtung
zur Halterung eines Lichtwellenleiters bekannt, bei der der Lichtwellenleiter im
Innern einer Kapillare verläuft und eine Kapillare eine ebene Außenfläche aufweist,
so daß eine Klebeverbindung an der ebenen Außenfläche mit besonders geringen Dejustierungen
während des Aushärtevorganges verbunden ist. Dabei ist es allerdings erforderlich,
eine Kapillare zu verwenden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten
Art derart auszubilden, daß sie für einen Lichtwellenleiter, der als solcher über
den ersten Träger geführt ist, die Möglichkeit einer Nachjustierung bietet.
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Aus der DE-AS 2 007 939 ist bereits ein Gaslaser bekannt, bei dem
ein Resonatorspiegel, der mit einer Kapillare integriert ist, durch dauerhaft plastische
Verformung einer verformbaren Zone justiert wird. Der Resonatorspiegel ist an einem
Endabschnitt einer Laserkapillare befestigt, die als Metallteil ausgebildet ist
und deren Endabschnitt mit der verformbaren Zone versehen ist. Die verformbare Zone
enthält eine nach außen oder innen gerichtete rundumlaufende Sicke, die zugleich
als Modenblende dienen kann.
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Eine Justierung oder Nachjustierung eines Lichtwellenleiters ist dabei
nicht vorgesehen.
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Gemäß der Erfindung wird die Vorrichtung zur Schaffung der gewünschten
Möglichkeit einer Nachjustierung derart ausgebildet, daß der erste Träger und der
zweite Träger mittels eines plastisch verformbaren Verbindungsstückes miteinander
verbunden sind. Dabei ist das Verbindungsstück derart ausgebildet und beschaffen,
daß es mit Hilfe eines üblichen Mikromanipulators ohne weiteres plastisch verformt
werden kann. Insbesondere sind der Querschnitt und das Material derart gewählt,
daß im Bereich der von üblichen Mikromanipulatoren ausübbaren Kräfte die Elastizitätsgrenze
überschritten und eine bleibende Verfor-
mung erzielt werden. Vorzugsweise
besteht das Verbindungsstück aus duktilem Material, insbesondere Aluminium, Blei,
Kupfer, Zinn oder Legierungen bzw. Kunststoffe im erwärmten Zustand. Unter duktilem
Material ist im vorliegenden Zusammenhang ein Material zu verstehen, das im Falle
des Verformens im Gegensatz zu federnden Werkstoffen möglichst geringe elastische
Formänderungen aufweist und die plastische Formänderung schon bei verhältnismäßig
geringen Spannungen im Werkstoff einsetzt.
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Man kann einen der beiden Träger mit Hilfe des Verbindungsstückes
am anderen Träger befestigen. Ein besonders zweckmäßiger Aufbau ergibt sich andererseits
dadurch, daß der zweite Träger unmittelbar und der erste Träger über das Verbindungsstück
mit einem gemeinsamen Subträger verbunden sind.
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Vorzugsweise ist das Verbindungsstück von stabförmiger Gestalt, so
daß sich günstige Voraussetzungen für die gewünschte plastische Verformung ergeben.
In Weiterbildung der Erfindung läßt sich dabei zugleich ein raumsparender Aufbau
der Anordnung dadurch erzielen, daß der zweite Träger zwischen dem Subträger und
dem ersten Träger angeordnet ist und daß das Verbindungsstück durch eine öffnung
des zweiten Trägers hindurchgeführt ist.
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Man kann das Verbindungsstück in je einer Ausnehmung des ersten Trägers
und des Subträgers haltern. Dabei wird die Anordnung zweckmäßigerweise so ausgebildet,
daß die Ausnehmung des Subträgers, in die das Verbindungsstück eingesetzt ist, einen
derart in axialer Richtung unterschiedlich großen Querschnitt aufweist, daß sich
an einen Bereich zur Halterung des Verbindungsstücks ein weiterer Bereich anschließt,
in dem das Verbindungsstück durch die Ausnehmung berührungsfrei hindurchgeführt
ist. Der Querschnitt der Ausnehmung des zweiten Trägers ist dabei
zweckmäßigerweise
wenigstens ebenso groß wie der angrenzende Querschnitt der Ausnehmung des Subträgers.
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Durch diese Maßnahme ergibt sich in vorteilhafter Weise, daß die Biegekante
in den Subträger hineinverlegt ist, so daß der erste Träger und der zweite Träger
besonders dicht benachbart angeordnet werden können und sich somit eine wesentliche
Platzersparnis ergibt. Die Verformung des Verbindungsstückes erfolgt im Bereich
der Ausnehmung des Subträgers und des zweiten Trägers. Außerdem ist in vorteilhafter
Weise eine Temperaturkonstanz des Verbindungsstückes gewährleistet, die für die
gewünschte optimale optische Anpassung von besonderem Vorteil ist.
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Versieht man in Weiterbildung der Erfindung den Subträger mit einer
zusätzlichen Öffnung, die den Bereich größeren Querschnitts mit dem Außenraum verbindet,
so läßt sich die Anordnung durch Einfüllen von härtbarem Kunststoff zu einem festen
Block vergießen. Da die Kräfte, die beim Aushärten der Vergußmasse auf das Verbindungsstück
einwirken, praktisch symmetrisch angreifen, tritt hierbei praktisch keine Dejustierung
der Anordnung ein.
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Der Mikromanipulator, der zwecks plastischer Verformung des Verbindungsstückes
verwendet wird, kann einen Greifer besitzen, der einen der beiden Halter greift.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Anordnung erwiesen, bei der der erste Träger
zwei Ausnehmungen zur Aufnahme von punktförmig angreifenden Kraftübertragungselementen
einer Justiervorrichtung enthält. Auf diese Weise läßt sich die Verformung besonders
exakt und ohne die Genauigkeit verminderndes Verkanten vornehmen.
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Ein bevorzugtes Verfahren zur Justierung der Ausrichtung eines Lichtwellenleiters
in bezug auf einen elektrooptischen oder optoelektrischen Wandler besteht darin,
daß
der Lichtwellenleiter mit Hilfe eines Mikomanipulators in bezug
auf den elektrooptischen oder optoelektrischen Wandler positioniert und daran anschließend
auf dem ersten Träger befestigt wird und daß vor dem Befestigungsvorgang die optische
Dämpfung der aus Lichtwellenleiter und Wandler bestehenden Anordnung gemessen wird
und daß nach Abschluß des Befestigungsvorgangs das Verbindungsstück derart gezielt
plastisch verformt wird, daß die Verformung erst suchend und dann gezielt solange
fortgeführt wird, bis die vor der Befestigung des Lichtwellenleiters gemessene optische
Dämpfung zumindest näherungsweise wieder erreicht ist.
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Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Lasermodul mit einer Anordnung zur justierbaren
Ausrichtung eines Lichtwellenleiters, Fig. 2 von dem in Fig. 1 gezeigten Lasermodul
einen Träger, mit dessen Hilfe die Laserdiode gehaltert ist, Fig. 3 von dem in Fig.
1 gezeigten Lasermodul einen Subträger mit daran befestigtem Diodenträger, Fig.
4 von dem in Fig. 1 gezeigten Lasermodul einen Subträger mit daran befestigtem,
vorjustierbarem Diodenträger, Fig. 5 und 6 einen Lichtwellenleiter-Halter mit Ausnehmungen
zur Aufnahme von Zapfen einer Justiervorrichtung und Fig. 7 und 8 einen gabelförmigen,
punktartig angreifenden Teil einer Justiervorrichtung.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Lasermodul für Einrichtungen der elektrooptischen
Nachrichtenübertragungstechnik.
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Das Lasermodul besitzt das Gehäuse 1, das mit Deckel 13 gezeigt ist.
Das Gehäuse 1 läßt sich mit Hilfe des Deckels 13 hermetisch dicht verschließen.
Der Boden 10 des Gehäuses 1 trägt das Peltierelement 2, das für die Temperaturstabilität
des Aufbaus und die Kühlung der Laserdiode 5 sorgt. Es wird von einem in der Figur
nicht dargestellten Thermistor geregelt.
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Das Peltierelement 2 ist mit dem Boden 10 des Gehäuses 1 fest verbunden.
Die Warmseite 21 des Peltierelementes 2 ist auf den Boden des Gehäuses 1, das die
sekundäre Wärmesenke bildet, aufgesetzt.
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Der Boden 10 des Gehäuses 1 besitzt an den Schmalseiten der rechteckförmigen
Grundfläche über die Seitenwände hinausstehende Flansche, die zur Befestigung eines
in der Figur nicht dargestellten Kühlrippenkörpers dienen.
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Ein derartiger Kühlrippenkörper wird zweckmäßigerweise mittels Schraubverbindungen
fest und wärmeschlüssig mit dem Boden 10 verbunden.
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Auf der Kaltseite 22 des Peltierelementes 2, die eine primäre Wärmesenke
für die Laserdiode 5 bildet, befindet sich der gut wärmeleitende und mechanisch
möglichst steife Subträger 3. Der Subträger 3 besteht aus gut wärmeleitendem Material,
insbesondere Kupfer und dient als Halterung für den ersten Träger 7 mit der Glasfaser
6 und den zweiten Träger 4 mit der Laserdiode 5.
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Auf der dem Deckel 13 des Gehäuses 1 zugewandten Seite tragen der
Träger 7 den Lichtwellenleiter 6 und der zweite Träger 4 die Laserdiode 5. Zur Befestigung
des Lichtwellenleiters 6 auf dem ersten Träger 7 dient der dickauftragende Epoxydkleber-Tropfen
75.
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Die als Lichtwellenleiter dienende Glasfaser 6 ist an die
Laserdiode
optisch angepaßt. Die Glasfaser 6 verläuft frei bzw. ohne Schutzrohr vom ersten
Träger 7 zur Durchführung 12, die in der Seitenwand 11 des Gehäuses 1 angebracht
ist.
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Der Subträger 3 hat eine ebene Grundfläche und eine dazu parallel
angeordnete Oberseite. Der Subträger 3 hat ferner auf der der Durchführung 12 zugewandten
Seite eine senkrecht auf der Grundfläche stehende ebene Seitenfläche und auf der
gegenüberliegenden Seite eine etwa unter einem Winkel von 450 gegenüber der Grundfläche
geneigte Seitenfläche.
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Der Subträger 3 und der zweite Träger 4 sind unmittelbar miteinander
verbunden. Der Subträger 3 und der erste Trä-.
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ger 7 sind dagegen durch das Verbindungsstück 9 miteinander verbunden.
Das Verbindungsstück 9 ist von stabförmiger Gestalt und sowohl im Subträger 3 als
auch im ersten Träger 7 jeweils in einer zylindrischen Ausnehmung gehaltert. Das
Verbindungsstück 9 besteht vorzugsweise aus Reinaluminium.
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Die Biegekante 31 für das Verbindungsstück 9 ist in den Subträger
3 hineinverlegt, so daß der erste Träger 7 besonders dicht an den zweiten Träger
4 herangerückt ist und sich eine besonders große Platzersparnis ergibt. Die Verbiegung
des Verbindungsstücks 9 erfolgt dabei innerhalb des Freiraumes im Bereich 33 der
Ausnehmung 30.
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Das Verbindungsstück 9 ist mit dem temperaturkonstanten Subträger
3 fest verbunden und weitgehend durch den Subträger 3 ummantelt bzw. eingeschlossen.
Im Biegebereich innerhalb des Freiraumes bzw. Bereiches 33 ist daher eine besonders
weitgehende Temperaturkonstanz des Verbindungsstücks 9 gewährleistet, so daß in
vorteilhafter Weise keine Dejustierungen infolge unterschiedlicher Temperaturen
des Verbindungsstücks 9 auftreten können.
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Der Subträger 3 ist mit einer gestuften Ausnehmung versehen, die insbesondere
aus zwei koaxialen Bohrungen besteht. Die zylindrische Ausnehmung 30 ist parallel
zum Lichtwellenleiter 6 gerichtet und zentrisch im Subträger 3 angeordnet. Die Ausnehmung
30 hat auf der der Durchführung 12 abgewandten Seite einen Bereich 32 kleineren
und auf der der Durchführung 12 zugewandten Seite einen Bereich 33 größeren Durchmessers.
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Die der Durchführung 12 zugewandte Stirnseite des Subträgers 3 ist
gestuft und hat in der Nachbarschaft des Peltierelementes 2 einen rippenartigen
Vorsprung 35. An dem nicht vom Vorsprung erfaßten Teil der Stirnseite, der eine
ebene Stirnfläche bildet, liegt der zweite Träger 4 an, der die Laserdiode 5 trägt.
Der an der Stirnseite anliegende zweite Träger 4 und der rippenartige Ansatz 35
haben miteinander fluchtende Stirnflächen. Diesen Stirnflächen gegenüber angeordnet
und durch den schmalen Spalt 36 getrennt befindet sich der erste Träger 7.
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Der zweite Träger 4 kann mit dem Subträger 3 z.B. durch Schweißen,
Löten, Kleben oder Pressen fest verbunden werden. Insbesondere wird der zweite Träger
4 mit Hilfe von zwei Schrauben am Subträger 3 befestigt. Der zweite Träger 4 hat,
wie aus Fig. 2 hervorgeht, in diesem Fall zusätzlich zur Ausnehmung 30 zwei Gewindebohrungen
37 und 38, so daß er mit Hilfe von zwei Schrauben am Subträger 3 befestigt werden
kann.
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Fig. 3 zeigt für die Anordnung nach Fig. 2 einen Schnitt AB. Die Schraube
39 ist auf der dem zweiten Träger 4 abgewandten Seite in den Subträger 3 eingesetzt
und greift mit ihrem Gewindeteil in den zweiten Träger 4 ein. Die Rippe 33 des Subträgers
3 bildet einen Anschlag für den zweiten Träger 4, so daß er vor dem Anschrauben
leicht in die Montageposition gebracht werden kann.
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Fig. 4 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig. 1, bei der zwischen
dem zweiten Träger 4 und der Rippe 35 des Subträgers 3 ein Spalt vorgesehen ist.
Dieser Spalt ermöglicht es, den zweiten Träger 4 beim Festschrauben auch in vertikaler
Richtung vorzujustieren.
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An der Grenzfläche der beiden Bereiche 32 und 33 mündet die öffnung
34, die von der Ausnehmung 30 zum Außenraum führt und bezogen auf diese Richtung
nach der der Durchführung 12 abgewandten Seite des Subträgers 3 geneigt angeordnet
ist.
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Zur Gewährleistung einer langfristigen Lagestabilität des justierten
ersten Trägers 7 wird zweckmäßigerweise in die Öffnung 34 ein Kleber injiziert,
der den Biegeraum im Bereich 33 und den Spalt 36, der sich zwischen den Trägern
4 und 7 und zwischen dem Subträger 3 und dem ersten Träger 7 befindet, ausfüllt
und den Subträger 3, das Verbindungsstück 9, den zweiten Träger 4 und den ersten
Träger 7 zu einem festen Block verbindet bzw. vergießt.
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Bei der Herstellung und Justierung der Anordnung wird vorzugsweise
wie folgt vorgegangen: Zunächst wird die von der Kunststoffumhüllung 61 befreite
und metallisierte Glasfaser 6, die vorzugsweise eine Monomodefaser ist, in das Gehäuse
1 mit offenem Deckel 13 eingeführt. Daraufhin wird die Glasfaser 6 im Bereich 60
vom Greifer einer üblichen Justiereinrichtung gefaßt und in die Nut 71 (Fig. 5)
des Glasfaserträgers bzw. ersten Trägers 7 eingelegt. Im Freiraum dieser Nut 71
wird die Glasfaser 6 so lange verschoben, bis eine optimale Kopplung zwischen Glasfaser
6 und lichtemittierender Diode 5 erreicht ist. Dann wird die Glasfaser 6 mit Hilfe
eines Löt- oder Klebeverfahrens in der Nut 71 des ersten Trä-
gers
7 festgelegt. Nach Fig. 1 ist hierzu beispielsweise ein dick auftragender Epoxydkleber-Tropfen
75 verwendet.
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Nach Fig. 1 sind die Richtungen, in denen eine Dejustierung der Glasfaser
6 auftreten kann, durch die senkrecht zueinander angeordneten Richtungen X, Y, Z
definiert, von denen die Z-Richtung die axiale Richtung der Glasfaser 6 in nicht
geknicktem Zustand ist. Es wird in diesem Fall davon ausgegangen, daß bei der Fixierung
der Glasfaser 6 eine Dejustierung in X- und Y-Richtung, d.h. in radialer Richtung,
stattfindet. Um die Glasfaserspitze 61 wieder in ihre ursprüngliche Lage zurückzuführen,
wird das in den Subträger 3 fest eingesetzte Verbindungsstück 9 gezielt verbogen.
Zu diesem Zweck werden die Zapfen 81, 82 der in den Figuren 7 und 8 dargestellten
Gabel 8 in die Bohrungen 73, 74 des in den Figuren 5 und 6 dargestellten Trägers
7 eingeführt.
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Die Zapfen 81, 82 sind gerundet, damit sie in den Bohrungen 73, 74,
deren Durchmesser größer als derjenige der Zapfen 81, 82 ist, eine punktförmige
Anlage finden. Durch computergesteuertes Verschieben der Gabel 8 können nach Überwindung
des elastischen Bereiches plastische Verbiegungen in X- und Y-Richtung bewerkstelligt
werden. Diese Veroiegungen ergeben sich aus der Schrittgröße, die der Verstellmechanismus
des Mikromanipulators aufweist.
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Anstelle der Gabel 8 kann gegebenenfalls ein Greifer eines üblichen
Mikromanipulators treten. Nach jedem Biegeschritt erfolgt eine Entlastung des Verbindungsstücks
9, um den Erfolg des Biegevorganges anhand der optischen Dämpfungswerte festzustellen.
Bei einer Laserdiode als elektrooptischer Wandler wird dabei am außerhalb des Gehäuses
1 befindlichen Ende 62 der Glasfaser 6 die StrahI-stärke gemessen. Bei einer Fotodiode
als elektrooptischer Wandler wird bei vorgegebener, in das Ende 62 des Licht-
wellenleiters
eingekoppelten Lichtenergie die von der Fotodiode abgegebene Spannung gemessen.
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Der Biegevorgang wird erst suchend und dann gezielt solange fortgeführt,
bis die vor der Fixierung der Glasfaser 6 gemessene Strahlstärke wieder erreicht
ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Glasfaser 6 in bezug auf
die Laserdiode 5 justiert. Tritt an die Stelle der Laserdiode 5 ein optoelektrischer
Wandler, so werden Aufbau des Empfangsmoduls, die Justierung und Nachjustierung
in entsprechender Weise vorgenommen.
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8 Figuren 10 Patentansprüche
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