DE3524527A1 - Optisches verzoegerungsglied, insbesondere optischer entzerrer - Google Patents
Optisches verzoegerungsglied, insbesondere optischer entzerrerInfo
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Description
R.E.Epworth-27
Optisches VerzögerunqsgLied, insbesondere optischer
Entzerrer
Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung
ober GLasfaser-LichtweILenLeiter, insbesond
e r e , jedoch nicht ausschließlich, die dabei bestehenden
Probleme der chromatischen Dispersion.
Die chromatische Dispersion verursacht bei der optischen
Nachrichtenübertragung über GLasfaser-LichtweLlenleiter
ernsthafte Probleme, wenn Lichtwellen verwendet werden,
deren Spektrum nicht ideal ist, sondern beispielsweise
einen breiten Spektralbereich umfaßt oder aus vielen Spektrallinien
besteht. Zur Lösung dieses Problems, wenigstens teilweise, gibt es drei Möglichkeiten. Die erste besteht
darin, daß eine solche Wellenlänge des optischen Signals gewählt wird, bei der oder in deren Nähe die chromatische
Dispersion ein Minimum hat, beispielsweise eine Wellenlänge
von 1,3 um bei einem konventionellen Siliziumdioxid-Lichtwellenleiter.
Im allgemeinen entspricht aber
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die fur die chromatische Dispersion günstige Wellenlänge
nicht der Wellenlänge, bei der die minimale Übertragungsdämpfung besteht, und Versuche, die Faser so zu ändern,
daß ihre Wellenlänge der minimalen chromatischen Dispersion
verschoben wird, führen zu einer gewissen Dämpfungsverschl
echte rung.
Die zweite Möglichkeit zur Lösung des Problems besteht in
der Verwendung einer Lichtquelle mit nahezu idealem Spekt rum.
Die dritte Möglichkeit besteht darin, den Effekt der
chromatischen Dispersion hinzunehmen und im Laufe der Signalübertragung
auszugleichen, d. h. die chromatische Dispersion
zu entzerren. Hierzu ist ein optisches Verzöge-, rungsglied notwendig, das für ein optisches Signal mit
endlicher Spektralbreite eine wellenlängenabhängige Verzögerung
bewirkt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine geeignete Ausführung
für ein solches optisches Verzögerungsglied anzugeben
.
Die Aufgabe wird wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst.
Weiterbildungen und Verfahren zur Herstellung eines solchen
optischen VerzogerungsgIiedes sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert.
Es zeigen:
Es zeigen:
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1678A
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ORiGiNA!.
R.E.Epworth-27
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen
Entzerrer zur Entzerrung der chromatischen
Dispersion, verwendet bei einem Glasfaser-Nachrichtenübertragungssystem,
Fig. 2 eine charakteristische Dispersionskurve eines
Glasfaser-Lichtwellenleiters,
Fig. 3 die Darstellung von charakteristischen Eigenschaften
des erfindungsgemäßen Entzerrers,
Fig. 4a die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Entzerrers zur Entzerrung der chromatischen
Di spersi on,
Fig. 4b eine vergrößerte Darstellung eines Teils des im
erfindungsgemäßen Entzerrer enthaltenen Bragg-RefLektors,
Fig. 5a schematisch, vier mögliche AusfQhrungsformen eines
bis Richtungskopp lers, die im erfindungsgemäßen
Fig. 5d Entzerrer verwendbar sind, und
Fig 6 einen Querschnitt durch einen Dorn, auf dem ein
Glasfaser-Lichtwellenleiter aufgewickelt ist.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die chromatische Dispersion durch ein Element mit entgegengesetzt
gleicher Dispersion auszugleichen, d. h. zu entzerren. Da
das übertragungssystem linear ist, kann ein solches
Element 1 (Fig. 1) an irgendeiner Stelle entlang der Länge eines dispersiven Ronomode-Glasfaser-LichtweILenlei te rs 2
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zwischen der LichtqueLLe 3 , beispieLsweise einer u η ν ο IL kommenen
Laser-LichtqueL Le, und einem Empfänger 4 angeordnet
sein. Das Entzerrer-ΕLement 1, das nachstehend genauer
beschrieben wird, besteht im Grunde aus einem RiehtkoppLer
6 und einem Bragg-RefLektor 5.
Fig. 2 zeigt die Kennlinie der chromatischen Dispersion
für eine konventione LLe Monomode-SiLiziumdioxid-Faser.
Diese KennLinie ist eine Kurve der relativen Verzögerung T in Abhängigkeit von der WelLenLänge A (/um). Die
minimale chromatische Dispersion wird bei einer WelLenLänge
von 1,3 /um erreicht, wogegen die minimaLe Übertragungsdämpfung
bei einer Wellenlänge im Bereich von 1,55 yum
erreicht werden kann. Im markierten WeLLenLängenbereich A mit einem entsprechenden Bereich B einer Verzögerungsänderung
ist das Spektrum instabiL. Erforderlich ist daher ein Element, das im WeLLenLängenbereich A und im zugehörigen
Bereich B der reLativen Verzögerung die Kurve der von der WeLlenLänge abhängigen reLativen Verzögerung korrigiert,
d. h. entzerrt. Dies Läßt sich erreichen durch eine Anordnung mit mindestens zwei Anschlüssen die so ausgelegt
ist, daß ihre we LlenLängenabhängige relative Verzögerung
so einstellbar ist, daß sie die im optischen übertragungsweg
auftretende chromatische Dispersion kompensiert.
Fig. 3 zeigt die charakteristischen Eigenschaften des e r findungsgemäßen
Entzerrers.
Die gestrichelte Kurve- C zeigt die zu entzerrende von der
Wellenlänge λ abhängige reLative Verzögerung der dispersiven Faser. Die punktierte Kurve D zeigt die KennLinie
der von der WelLenlänge λ abhängigen reLativen Verzögerung
des Entzerrers, und die durchgezogene Kurve E zeigt das
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über der Wellenlänge aufgetragene Verhältnis der in den
Entzerrer eingekoppelten optischen Leistung zur aus dem
Entzerrer ausgekoppelten optischen Leistung. Dieses Verhältnis hat, wie die Kurve E zeigt, über dem entzerrten
WeIlenLängenbereich ein Maximum.
Das Entzerrerelement 1 besteht aus einem Medium, das eine
stark mit der Wellenlänge variierende optische Verzögerung derart bewirkt, daß die chromatische Dispersion entzerrt
wird und aus einem Richtungskoppler 6, der die in das entzerrende
Medium eingekoppelten Wellen von den aus dem entzerrenden
Medium austretenden Wellen voneinander trennt. Das entzerrende Medium wird gebildet durch einen in einer
Faser 5 enthaltenen in Längsrichtung verteilten Bragg-Reflektor,
dessen Gitterabstand und damit dessen Reflexionswellenlänge
in Längsrichtung unterschiedlich ist. Dieses
Medium ist in den Figuren 4a und 4b gezeigt.
Der Richtungskoppler 6 kann beispielsweise ein optischer
Zirkulator oder ein optischer Isolator oder ein einfacher Faserkoppler sein. Jegliche Art eines optischen Richtungskopplers
kann verwendet werden, beispielsweise ein halbversilberter
Spiegel oder eine integrierte optische Anordnung, beispielsweise auf der Basis von Lithiumniobat. Spezifische
Beispiele einer Richtungskopp ler-Technik sind in
Fig. 5 gezeigt. Idealerweise ist der Koppler dämpfungsarm,
was z. B. durch Verwendung eines optischen Zirkulators (Fig. 5a) oder eines optischen Isolators (Fig. 5b) erreichbar
ist. Bei jedem dieser Koppler wird die Faraday-Rotation angewendet, um entgegenlaufende optische
Wellen voneinander zu trennen. Der einfache Faserkoppler (Fig. 5c) kann auch angewendet werden, aber er würde mindestens
eine Dämpfung von 6dB in das System einbringen
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(3dB für jede Überkopp Lung). Wenn das EingangsIicht einen
stabilen Po Larisationszustand hat, könnten die sich in
entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Wellen unter
Verwendung eines Viertelwellenlängen-Abschnitts 7 und
eines polarisationstrennenden Elements 8 (Fig. 5b) voneinander
getrennt werden. Dann wäre im Bragg-RefLektor ein
zirkularer Polarisationszustand vorhanden bei einem linearen
Polarisationszustand des Eingangssignals. Der Vierte
IweI lenLängen-Kopp ler ist auch dämpfungsarm.
Wie in Fig. 4a angedeutet, ist der Lichtweg, den das Licht
entlang der Bragg-Reflektor-Faser 5 zurücklegt, bevor es
reflektiert wird, abhängig von der Wellenlänge Λ und wird
bestimmt durch den in Längsrichtung variierenden Gitterabstand .
Es wurde bereits gezeigt (z. B. in "Fiber-optic integrated interference filters" J. Lapierre et al. OPTICS LETTERS
January 1982 Vol. 7 No. 1, pp 37-39) daß es möglich ist, Bragg-RefLektoren in einen GLasfaser-Lichtwe I Lenleiter
"einzuschreiben" oder "einzuspeichern", indem man einfach
einen Lichtstrahl mit hoher optischer Leistung einstrahlt
und sicherstellt, daß eine zur Bildung einer stehenden
Welle in der Faser ausreichende Endflächenreflexion stattfindet.
Nach einer kurzen Zeit (Sekunden bis Minuten) steigt das Reflexionsvermögen bei der angewendeten
Pump-WeLlenLänge dramatisch an, weiL ein Bragg-RefLektor
gebildet wird, der genau an die Pump-We I Len länge angepaßt
ist. Dieses Gitter ist dauerhaft und funktioniert weiter bei irgendeinem Pegel der optischen LichtLeistung.
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Wie schematisch in Fig. 4b dargestellt, hat die Faser 5,
nachdem die Gitterstruktur erzeugt worden ist, eine periodische
Struktur infolge einer fotoinduzierten Brechungsindexänderung.
Dabei ist die Periode ungefähr gleich der halben Wellenlänge der verwendeten Pump-Lichtquelle, und
aus dieser periodischen Struktur ist eine Bragg-Reflexion
erhältlich. Die Länge des erzeugten Gitters hängt von der zum "Einschreiben" verwendeten optischen Leistung ab, sie
kann nur 0,1 cm betragen bei sehr hohen Leistungen oder mehrere Meter bei niedrigen Leistungen.
Zur Verwendung in einem Entzerrer-Element ist ein solcher
Bragg-RefLektor erforderlich, bei dem die Periodizität des
Gitters und damit die Wellenlänge, bei der er reflektiert, sich in vorgegebener Weise entlang der Faserlänge ändert.
Um diese Änderung zu erreichen, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, wofür die folgenden Beispiele angegeben
werden.
Unter Verwendung eines abstimmbaren Lasers mit hoher Leistung werden mehrere voneinander getrennte Abschnitte
eines Glasfaser-Lichtwellenleiters unterschiedlichen optischen
Wellenlängen ausgesetzt und anschließend miteinander verbunden (gespleißt), so daß sie zusammen eine einzige
Faser bilden. Die damit erreichte Längenvariation des
Gitterabstands wäre dann diskontinuierlich, was aber nur
einen geringen Nachteil bedeutet, wenn die Anzahl solcher Abschnitte groß genug ist.
Alternativ hierzu kann auch ein Laser mit einer einzigen Wellenlänge verwendet werden, und mehrere voneinander getrennte
Faserabschnitte können dem von ihm ausgestrahlten
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Licht ausgesetzt werden, während diese Faserabschnitte und
unterschiedlich stark in ihrer Länge ausgedehnt werden,
beispielsweise durch Spannung, Dehnung, Temperaturänderung
oder irgendeine Kombination davon- Wenn ein Faserabschnitt
in seinen Normalzustand zurückgebracht worden ist, hat das
induzierte Gitter seine Resonanzfrequenz geändert. Eine Anzahl solcher Faserabschnitte können miteinander verbunden
werden, um daraus eine einzige Faser zu machen.
Alternativ hierzu kann auch das umgekehrte Verfahren angewendet werden, d. h. der Faserabschnitt kann gedehnt oder
erhitzt werden, nachdem das Gitter erzeugt worden ist, d. h. während des Betriebs, jedoch ist dies aus Gründen der
Faserermüdung wenig attraktiv. Es wird für akzeptabel gehalten,
die längenabhängige Variation des Gitterabstandes
einer Feinabstimmung zu unterziehen, bevor der Faserabschnitt
geringen Dehnungen unterworfen wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine einzige zusammenhängende
Länge einer optischen Faser der Strahlung eines Lasers der einzigen Frequenz auszusetzen und dabei
entlang der Faserlänge einen Dehnungs-ZSpannungs-ZTemperaturgradienten
aufrecht zu erhalten. Wenn dieser Gradient anschließend nach dem Induzieren des Gitters entfernt
wird, hat das Gitter einen in Längsrichtung variierenden
Gitterabstand angenommen. Ein Spannungs-/Dehnungsgradient
kann in einem GLasfaser-LichtweIlenLeiter 11 erzeugt werden,
indem man den Glasfaser-Lichtwellenleiter auf einen
verformbaren Dorn aufwickelt. Ein solcher Dorn ist in Fig. 6 gezeigt und dort mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
Ein Hohlraum 13 im Dorn ist so geformt, daß bei einer Druckerhöhung im Hohlraum zur Ausdehnung des Dorns die darauf
aufgewickelte Faser 11 in ihrer Längsrichtung gedehnt
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wird, wobei aufgrund des Verlaufs der Wanddicke des Doms
ein Dehnungsgradient entlang der Faserlänge besteht. Der
Druck im Hohlraum 13 wird auf rechterha Iten, während das
Gitter in die Faser "eingeschrieben" wird. Auf ähnliche
Weise kann auch erst nach dem "Einschreiben" des Gitters
(d. h. erst vor dem Gebrauch) die längenabhängige Variation
des Gitterabstandes durch Erzeugen eines steuerbaren
Dehnungsgradienten eingestellt werden. Falls das übertragungssystem
eine Faser mit einer zu entzerrenden chromatischen Dispersion hat, deren Verlauf dem in Fig. 3 mit
der gestrichelten Kurve dargestellten gleicht, ist ein
Bragg-RefLektor mit in Längsrichtung variierendem Gitterabstand
erforderlich, der innerhalb der Reflektor-Faser
die kürzeren Wellenlängen einen weiteren Weg zurücklegen läßt, bevor sie reflektiert werden, als die längeren
Wellenlängen, um dadurch die unterschiedlichen Verzögerungen
zu kompensieren. Die fallweise erforderliche Variation
des Gitterabstandes wird bestimmt durch den jeweils
vorhandenen optischen übertragungsweg.
Aufgrund der vorliegenden Erfindung ist es möglich, in einer Wellenleiterstruktur mit geringer Gesamtgröße eine
sehr starke Dispersion zu erhalten, die im Betrieb eine mit der Betriebswellenlänge stark variierende optische
Verzögerung bewirkt. Durch geeignete Konstruktion des in Längsrichtung verteilten Bragg-RefLektors mit in Längsrichtung
variierenden Ref lexi onswel lenlä'ngen, kann die Dispersion so eingestellt werden, daß sie die in einem
vorgegebenen optischen übertragungsweg auftretende chromatische
Dispersion kompensiert.
Auch wenn die erfindungsgemäße Anordnung vorstehend im
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Hinblick auf Anwendungen zur Entzerrung der chromatischen
Dispersion beschrieben worden ist, ist sie nicht als darauf
beschränkt zu betrachten. Es handelt sich im allgemeinen
um ein optisches Verzögerungsglied, das irgendeinem optischen Signal, das eine endliche Spektralbreite, d. h.
unterschiedliche Wellenlängen, hat, einen wellenlängenabhängige
Verzögerung gibt, die von der längenabhängigen Variation
des Gitterabstandes abhängt. Ein Entzerrer zur
Entzerrung der chromatischen Dispersion ist nur ein besonderer
Anwendungsfall eines solchen optischen Verzögerungsgliedes. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es, in
einer Wellenleiterstruktur mit geringer Gesamtgröfie eine
sehr hohe Dispersion zu erzeugen. Eine solche Anordnung kann auch zur Kompression/Expansion von optischen Impulsen
verwendet werden. Ein mit einer solchen Anordnung versehener
Laser kann somit schmale Impulse mit weitaus höherer Spitzenleistung produzieren.
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Claims (17)
1. Optisches Verzögerungsglied zur wellenlängenabhängigen
Verzögerung eines optischen Signals mit endlicher Spektra
Ibrei te,
dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Bragg-Ref lektor (5) mit in Längsrichtung unterschiedlichen Reflexionswellenlängen und einem Richtkoppler (6) besteht, der das zu verzögernde optische Signal in den Bragg-Ref lektor (5) einkoppelt und das in diesem reflektierte optische Signal auskoppelt.
dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem Bragg-Ref lektor (5) mit in Längsrichtung unterschiedlichen Reflexionswellenlängen und einem Richtkoppler (6) besteht, der das zu verzögernde optische Signal in den Bragg-Ref lektor (5) einkoppelt und das in diesem reflektierte optische Signal auskoppelt.
2. Verzögerungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Bragg-Reflektor ein in einem Glasfaser-Lichtwellenleiter
erzeugter Bragg-Reflektor mit in Längsrichtung unterschiedlichen Ref lexionsweIlenlängen ist.
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3. Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Richtungskopp ler (6) ein optischer ZirkuLatoi—Koppler
ist (Fig. 5a).
4. Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekenn-
zeichnet, daß der Richtungskoppler (6) ein optischer Isolator-Koppler
ist (Fig. 5b).
5. Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Richtungskoppler (6) ein Faserkoppler
ist (Fig. 5c).
6. Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Richtungskoppler aus einem polari sationstrennenden
Element (8) und aus einem Viertelwellenlängen-Element
(7) besteht (Fig. 5d).
7. Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekenn-
zeichnet, daß der Richtungskoppler (6) ein halbversilberter
Spi ege I ist.
8. Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Richtungskoppler (6) eine integrierte
optische Anordnung ist.
9. Verwendung eines optischen Verzögerungsgliedes nach
einem der vorstehenden Ansprüche zur Entzerrung der
chromatischen Dispersion eines optischen Signals.
10. Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Bragg-RefLektor (5) mit in Längsrichtung
unterschiedlichen Reflexionswe I len längen aus mehreren mit-
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ORIGINAL ::-CFIGTED
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einander verbundenen Faserabschnitten besteht, wobei jeder
Faserabschni11 optische Signale mit einer vorbestimmten
individue LLen Wellenlänge reflektiert.
11. Verzögerungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekenn-
zeichnet, daß der Bragg-RefLektor (5) mit in Längsrichtung
unterschiedlichen Reflexionswellenlängen aus einem einzigen
Faserstück besteht, dessen Reflexionseigenschaften
sich graduell entlang seiner Länge ändern.
12. Verfahren zur Herstellung eines in einem Glas-
faser-LichtweLlenLeiter erzeugten Bragg-RefLektors mit in
Längsrichtung unterschiedlichen Reflexionswellenlängen,
dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren Faserabschnitten jeweils ein Bragg-Reflektor mit
einer individuellen Reflexionswellenlänge erzeugt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, f<
daß die Faserabschnitte zunächst voneinander getrennt sind und jeweils dem Ausgangssignal mit einer individuellen optischen
Frequenz eines abstimmbaren Lasers hoher Leistung ausgesetzt werden, um einen Bragg-Reflektor in ihnen zu
erzeugen, und daß die Faserabschnitte mit jeweils einem
darin erzeugten Bragg-RefLektor miteinander zu einer einzigen
Faser verbunden werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Faserabschnitte zunächst voneinander getrennt sind
und jeweiLs dem Ausgangssignal eines bei einer einzigen
Frequenz arbeitenden Lasers ausgesetzt werden und dabei verschiedenen Bedingungen unterworfen werden, derart, daß
jeder in einem dem Laser ausgesetzten Faserabschnitt erzeugte
Bragg-Reflektor eine individuelle Reflexionswellenlänge
erhält.
ZT/Pi-Kg/R, 08.07.1985
1678A
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R.E.Epworth-27
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem einzigen zusammenhängenden Faserstück ein
8ragg-Reflektor mit in Längsrichtung unterschiedlichen RefLexionsweLLenLängen
erzeugt wird, dadurch, daß dieses Faserstück einem Laser mit einer einzigen Frequenz ausgesetzt
wird, während entlang der Länge des Faserstücks ein
Zustandsgradient besteht.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zustandsgradient ein Gradient der Dehnung, der
Spannung und/oder der Temperatur ist.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der in dem Faserstück bestehende Zustandsgradient
durch Aufwickeln des Faserstücks auf einen hohlen verformbaren
Dorn (12) mit ungleichmäßiger Wandstärke und Ausüben
eines Drucks auf die Innenwand des Dorns, um einen Dehnungsgradienten
in dem Faserstück zu erzeugen, bewirkt wird.
ZT/Pi-Kg/R, 08.07.1985
1678A
1678A
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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Owner name: STC PLC, LONDON, GB |
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8128 | New person/name/address of the agent |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Ipc: H04B 10/18 |
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Owner name: NORTHERN TELECOM LTD., MONTREAL, QUEBEC, CA |
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Representative=s name: KOCH, G., DIPL.-ING. HAIBACH, T., DIPL.-PHYS. DR.R |
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D2 | Grant after examination | ||
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