DE60114554T2 - Spleissverfahren von optischen Fasern - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden, durch Fusionsspleißen, von zwei optischen Fasern mit einem unterschiedlichen Modenfelddurchmesser (hierin nachstehend als MFD (mode field diameter) bezeichnet) voneinander.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine dispersionskompensierende Faser wurde verwendet, um chromatische Dispersion einer optischen Übertragungsleitung zu kompensieren, die optische Fasern umfasst. Es wurde ein optischer Verstärker mit einer optischen Faser, deren Optikwellenleiterregion mit einem Element seltener Erden dotiert ist, verwendet, um Verlust in der optischen Übertragungsleitung zu kompensieren. In derartigen Fällen mussten zwei optische Fasern mit unterschiedlichem MFD miteinander verbunden werden. Es waren zwei Verbindungsverfahren bekannt, nämlich ein Verfahren einer Verwendung eines Verbinders und Fusionsspleißen, wobei das letztere einen kleinen Verbindungsverlust verursacht.
  • Um zwei optische Fasern durch Fusionsspleißen zu verbinden, wird die Beschichtung an jeder optischen Faser in dem benachbarten Ende davon entfernt, dann werden die benachbarten Endflächen der zwei optischen Fasern zusammen gestoßen, und die Endflächen werden durch Erwärmen mit einer Lichtbogenentladung oder dergleichen weich gemacht und fusionsgespleißt. Wenn die MFDs der zwei Fasern in den Abschnitten für Fusionsspleißen einander gleich sind, ist der Spleißungsverlust klein. Wenn die MFDs unterschiedlich sind, wird je größer der Unterschied im Durchmesser ist, der Spleißungsverlust desto größer.
  • Ein Spleißungsverfahren für eine optische Faser wurde in der japanische Patentanmeldung Offenlegung Nr. 04-118607 offenbart, welches gedacht ist, den Spleißungsverlust zu reduzieren, wenn zwei optische Fasern mit unterschiedlichen MFDs fusionsgespleißt wurden. Zwei optischen Fasern werden als eine erste optische Faser mit einem größeren MFD bzw. eine zweite optische Faser mit einem kleineren MFD bezeichnet.
  • Gemäß diesem Spleißungsverfahren wird der MFD der zweiten optischen Faser durch Erwärmen eines Abschnitts, der die benachbarte Endfläche davon enthält, und durch Diffundieren (Verbreiten) einer Dotiersubstanz darin vergrößert, und dann werden die ersten und zweiten optischen Fasern fusionsgespleißt. Somit kann der Unterschied zwischen den MFDs der ersten und der zweiten optischen Fasern in dem Abschnitt zum Fusionsspleißen reduziert werden, wobei es dadurch zu einer Verringerung in dem Spleißungsverlust kommt.
  • EP 0 340,042 bezieht sich auf ein Verfahren zum Spleißen von optischen Fasern, worin mindestens eine der Fasern eine hohe numerische Apertur (NA) hat und die zwei Fasern unterschiedliche Modenpunktgrößen haben. Das Verfahren umfasst Schmelzen der Enden der Fasern zusammen mit ihren Kernen in Ausrichtung und Erwärmen der geschmolzenen Verbindungsstelle zwischen den Fasern so, um eine Dotiersubstanz zu veranlassen, aus dem Kern heraus zu migrieren. Der Erwärmungsschritt wird für eine Zeit ausgeführt, die ausreichend ist, einen vorbestimmten Grad einer Anpassung zwischen Ausbreitungsmodi in den zwei Fasern zu erreichen.
  • EP 1,063,544 beschreibt einen exponierten Teil von mindestens einer von zwei optischen Fasern mit unterschiedlichen Modenfeldverteilungen, die durch Fusion zu spleißen sind, der durch einen Brenner erwärmt wird, um dadurch seine Modenfeldverteilung in der Längsrichtung der optischen Faser kontinuierlich zu variieren, und der exponierte Endteil von mindestens einer der optischen Fasern wird zerteilt, sodass die Modenfeldverteilungen in den Spleißendflächen der zwei optischen Fasern, die durch Fusion zu spleißen sind, im wesentlichen miteinander in der Konfiguration übereinstimmen, die zwei optischen Fasern werden durch Fusion gespleißt, wodurch ein geringer Spleißungsverlust realisiert wird. Danach wird der erwärmte Abschnitt der optischen Faser einer Oberflächenbehandlung durch einen Ätzprozess unter Verwendung einer Fluorwasserstoffsäurelösung unterzogen, wodurch eine Verschlechterung ihrer mechanischen Stärke verhindert wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Spleißungsverfahren für eine optische Faser zum Verringern von Spleißungsverlust einer ersten optischen Fasern und einer zweiten optischen Faser, deren MFDs voneinander verschieden sind, vorzusehen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgesehen zum Verbinden durch Fusionsspleißen einer ersten optischen Faser, mit einem ersten Modenfelddurchmesser, der sich mit Erwärmung erhöht, und einer zweiten optischen Faser, mit einem zweiten Modenfelddurchmesser, der sich zuerst erhöht und als Nächstes verringert mit Erwärmung, wo bei der zweite Modenfelddurchmesser kleiner als der erste Modenfelddurchmesser ist, das Verfahren umfassend:
    einen Schritt zum Erwärmen eines Abschnitts enthaltend eine benachbarte Endfläche der ersten optischen Faser so, um eine Dotiersubstanz zu verbreiten; und
    einen Schritt zum Verbinden der ersten und der zweiten optischen Fasern durch Fusionsspleißen.
  • Das Verfahren umfasst einen Vorfusionserwärmungsschritt zum Erwärmen eines Abschnitts, der die benachbarte Endfläche der ersten optischen Faser enthält so, um eine Dotiersubstanz zu verbreiten, und einen Fusionsspleißungsschritt zum Verbinden der ersten und der zweiten optischen Fasern.
  • Das Verfahren umfasst ferner einen Nachfusionserwärmungsschritt zum Erwärmen eines Abschnitts, der den fusionsgespleißten Teil zwischen den ersten und den zweiten optischen Fasern enthält nach dem Fusionsspleißungsschritt, um die darin enthaltene Dotiersubstanz zu verbreiten.
  • Die Dotiersubstanz kann während des Vorfusionserwärmungsschritts verbreitet werden, bis der Modenfelddurchmesser 2W1 , definiert durch Petermann I, in der benachbarten Endfläche der ersten optischen Faser um mindestens 1 μm vergrößert ist. Der Modenfelddurchmesser 2W1 kann durch die folgende Formel erhalten werden:
    Figure 00040001
    wobei E(r) die Verteilung des LP01-Modus darstellt.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine optische Übertragungsleitung vorgesehen, die eine erste optische Faser mit einem ersten Modenfelddurchmesser, der sich mit Erwärmung erhöht, und eine zweite optische Faser mit einem zweiten Modenfelddurchmesser enthält, der sich zuerst erhöht und als Nächstes verringert mit Erwärmung, wobei der zweite Modenfelddurchmesser kleiner als der erste Modenfelddurchmesser ist, hergestellt durch einen Prozess, umfassend:
    einen Schritt zum Erwärmen eines Abschnitts, der eine benachbarte Endfläche der ersten optischen Faser enthält so, um eine Dotiersubstanz zu verbreiten; und
    einen Schritt zum Verbinden der ersten und der zweiten optischen Fasern durch Fusionsspleißen.
  • Das obige und weitere Ziele und neuartige Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung vollständiger klargestellt, wenn die gleiche in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird. Es ist jedoch ausdrücklich zu verstehen, dass die Zeichnungen nur dem Zweck von Veranschaulichung dienen und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung gedacht sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Um die Zeichnungen vollständiger zu verstehen, die in der detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wird eine kurze Beschreibung jeder Zeichnung vorgesehen:
  • 1 ist eine Veranschaulichung eines Verfahrens zum Spleißen von optischen Fasern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Veranschaulichung des Brechzahlprofils einer ersten optischen Faser (optische Faser 1);
  • 3 ist eine Veranschaulichung des Brechzahlprofils einer zweiten optischen Faser (optische Faser 2);
  • 4A ist eine Grafik, die eine Schwankung von MFDs in den benachbarten Endflächen der optischen Faser 1 und 2 zeigt, und 4B zeigt jeweils eine Änderung vom Spleißungsverlust gegenüber der Erwärmungszeit, mit dem Verfahren zum Spleißen von optischen Fasern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5A ist eine Grafik, die eine Schwankung von MFDs in den benachbarten Endflächen der optischen Faser 1 und 2 zeigt, und 5B zeigt jeweils eine Änderung vom Spleißungsverlust gegenüber der Erwärmungszeit, mit dem Verfahren zum Spleißen von optischen Fasern ähnlich zu der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, aber ohne einen Vorfusionserwärmungsschritt; und
  • 6 zeigt eine optische Übertragungsleitung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Um das Verständnis für die Erklärung zu erleichtern, bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile, wo möglich, überall in den Zeichnungen, und eine wiederholte Erklärung wird weggelassen. Die Abmessungen in den Zeichnungen sind teilweise übertrieben und entsprechen nicht immer den tatsächlichen Verhältnissen der Abmessungen.
  • Bezug nehmend auf 1 wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Spleißen von optischen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zuerst werden eine erste optische Faser (optische Faser 1) und eine zweite optische Faser (optische Faser 2) vorbereitet. Der MFD D2 der optischen Faser 2 ist kleiner als der MFD D1 der optischen Faser 1 in dem Bereich der Betriebswellenlänge, d.h. in der Wellenlänge von 1,55 μm. Dann werden Beschichtungen der optischen Faser 1 und 2 in dem benachbarten Ende davon, das durch Fusion zu spleißen ist, entfernt, und ein Glas 4 und ein Glas 5 werden freigelegt. Das Paar von Linien, die innerhalb jeder optischen Faser in der Figur gezeichnet sind, zeigt den MFD in jeder Position entlang der Längsrichtung jeder optischen Faser an.
  • Die optische Faser 1 ist z.B. eine typische Einzelmodus-Optikfaser mit Null-Dispersionswellenlänge um 1,3 μm herum und ungefähr 17 ps/nm/km in 1,55 μm. Der MFD D1 ist ungefähr 10 μm in der Wellenlänge von 1,55 μm. Die optische Faser 1 hat ein Stufenindexprofil, dotiert mit Germanium (GeO2) in einer Region, die die optische Achse enthält.
  • Andererseits ist die optische Faser 2 z.B. eine dispersionskompensierende optische Faser mit einem chromatischen in Dispersionswert, der von ungefähr –20 bis –250 ps/nm/km der Wellenlänge von 1,55 μm reicht. Der MFD D2 ist in der Größenordnung von mehreren Mikrometern in der Wellenlänge von 1,55 μm.
  • Die optische Faser 2 hat ein komplizierteres Brechzahlprofil als die optische Faser 1. Die optische Faser 2 ist mit einer geeigneten Menge von z.B. GeO2 oder Fluor (F) in einer vorbestimmten Region davon so dotiert, um jeweils die Brechzahl davon zu erhöhen oder zu verringern.
  • In dem Vorfusionserwärmungsschritt wird der MFD in dem benachbarten Ende der optischen Faser 1, der größer als der der optischen Faser 2 ist, durch Erwärmen eines Abschnitts vergrößert, der das benachbarte Ende enthält so, um die Dotiersubstanz zu verbreiten. Der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1, wie durch Petermann I definiert, wird vorzugsweise um mindestens 1 μm vergrößert. Eine Brennerflamme, ein Lichtbogen, zu generieren durch ein Paar von entgegenliegenden Elektroden, die die optische Faser 1 flankieren, und ein CO2-Laserstrahl hoher Leistung können als eine Wärmequelle in dem Vorfusionserwärmungsschritt verwendet werden. Die Erwärmungstemperatur in diesem Schritt wird derart bestimmt, dass die Dotiersubstanz, die in der optischen Faser 1 enthalten ist, verbreitet werden kann, aber diese Faser selbst nicht weich gemacht wird.
  • Nach dem Vorfusionserwärmungsschritt wird ein Fusionsspleißungsschritt durchgeführt. In dem Fusionsspleißungsschritt werden die optischen Fasern 1 und 2 durch Fusionsspleißen zusammen verbunden. Genauer werden die benachbarten Endflächen der optischen Faser 1 und 2 zusammen gestoßen, und dann wird der Abschnitt, der die benachbarten Endflächen enthält, erwärmt und weich gemacht durch eine Lichtbogenentladung, die durch ein Paar von entgegenliegenden Elektroden generiert wird, die die angestoßenen Endflächen flankieren, wobei dadurch Fusionsspleißen der zwei optischen Fasern durchgeführt werden kann. In dem gewöhnlichen Fusionsspleißungsschritt gibt es wenig Schwankung in dem MFD der optischen Faser 1, wobei im wesentlichen der Durchmesser gehalten wird, wie in dem Vorfusionserwärmungsschritt vergrößert. Es gibt auch wenig Schwankung in dem MFD der optischen Faser 2 in diesem Fusionsspleißungsschritt.
  • Nach dem Fusionsspleißungsschritt wird ein Nachfusionserwärmungsschritt durchgeführt. In diesem Schritt wird die Dotiersubstanz durch Erwärmen eines Abschnitts verbreitet, der den fusionsgespleißten Teil 3 zwischen der optischen Faser 1 und 2 enthält. Der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2, der anfangs klein gewesen ist, vergrößert sich während des Nachfusionserwärmungsschritts rasch, wird größer als der der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1, erreicht nach einer Zeitperiode eine Spitze, und wird anschließend kleiner und näher zu dem der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1. Der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser wird entsprechend so abgestimmt, um den Unterschied zwischen den MFDs in dem fusionsgespleißten Teil 3 der zwei Fasern zu reduzieren. Somit verringert sich der Spleißungsverlust allmählich, da sich der MFD im Verlauf der Zeit in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2 verringert. Es kann die gleiche Wärmequelle wie in dem Vorfusionserwärmungsschritt als eine Wärmequelle in dem Nachfusionserwärmungsschritt verwendet werden. Die Erwärmungstemperatur für diesen Prozess wird derart bestimmt, dass die Dotiersubstanz, die beiden optischen Fasern hinzugefügt wurde, verbreitet werden kann, aber keine der optischen Fasern weich gemacht wird.
  • 6 zeigt eine optische Übertragungsleitung 6, umfassend die optische Faser 1 und 2, die in Übereinstimmung mit dem wie oben beschriebenen Verfahren zusammen verbunden sind. Der Fusionsspleißungsverlust des fusionsgespleißten Teils 3 kann auf 0,2 dB oder weniger reduziert werden. Die optische Übertragungsleitung 6 ist zwischen einem Sender 7 und einem Empfänger 8 vorgesehen.
  • Die Ausführungsform wird nun detaillierter beschrieben. Eine Einzelmodus-Optikfaser 21 mit dem in 2 gezeigten Brechzahlprofil wird hier als die optische Faser 1 vorbereitet. Die optische Faser 21 umfasst eine Kernregion 22, die eine hohe Brechzahl hat und die optische Achse enthält, und eine Mantelregion 23, die eine geringe Brechzahl und die Kernregion 22 umgibt. Beide Regionen bilden zusammen ein einfaches Stufenindexprofil. Der äußere Durchmesser der Kernregion 22 ist 8,2 μm und der äußere Durchmesser der Mantelregion 23, d.h. der äußere Durchmesser der Faser, ist 125 μm. Die relative Brechzahldifferenz der Kernregion 22 ist 0,34% im Vergleich zu der der Mantelregion 23. In der Wellenlänge von 1,55 μm hat die optische Faser 21 eine chromatische Dispersion von 17 ps/nm/km, eine Dispersionsneigung von 0,057 ps/nm2/km, einen MFD 2W1 von 10,7 μm, definiert durch Petermann I, einen MFD 2W2 von 10,3 μm, definiert durch Petermann II, und einen effektiven Kernbereich von 80 μm2. Der MFD 2W2 kann durch die folgende Formel erhalten werden:
    Figure 00100001
    wobei E(r) die Verteilung des LP01-Modus darstellt.
  • Andererseits wird eine dispersionskompensierende optische Faser 31 mit dem in 2 gezeigten Brechzahlprofil als die optische Faser 2 vorbereitet. Die optische Faser 31 umfasst eine Kernregion 32, die die optische Achse enthält, eine Grabenregion 33, die die Kernregion 32 umgibt, eine Kammregion 34, die die Grabenregion 33 umgibt, und eine Mantelregion 35, die die Kammregion 34 umgibt, die zusammen das Brechzahlprofil bilden.
  • Die äußeren Durchmesser der Kernregion 32, der Grabenregion 33 und der Kammregion 34 sind 4 μm, 10 μm bzw. 17 μm. Der äußere Durchmesser der Mantelregion 35, d.h. der äußere Durchmesser der Faser, ist 125 μm. Die relativen Brechzahldifferenzen der Kernregion 32, der Grabenregion 33 und der Kammregion 34 sind 1,6%, –0,5% bzw. 0,2% im Vergleich zu der der Mantelregion 35. In der Wellenlänge von 1,55 μm hat die zweite optische Faser 31 eine chromatische Dispersion von –96 ps/nm/km, eine Dispersionsneigung von –0,75 ps/nm2/km, einen MFD 2W1 von 7,7 μm, definiert durch Petermann I, einen MFD 2W2 von 4,9 μm, definiert durch Petermann II, und einen effektiven Kernbereich von 19 μm2.
  • Während des Vorfusionserwärmungsschritts in dieser Ausführungsform wird der MFD 2W1 in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 21 von 10,7 μm auf 14,9 μm, der MFD 2W2 von 10,3 μm auf 13,2 μm und der effektive Kernbereich von 80 μm2 auf 131 μm2 vergrößert.
  • 4A und 4B zeigen eine Schwankung von MFDs, definiert durch Petermann I, in den benachbarten Endflächen der optischen Faser 1 und 2 bzw. einen Spleißungsverlust, während die Erwärmungszeit abläuft, wie in der Achse der Abszisse gezeigt, während des Nachfusionserwärmungsschritts.
  • Wie in 4A gezeigt, schwankt der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1 im Verlauf der Zeit wenig, wobei der Durchmesser im wesentlichen gehalten wird, wie während des Vorfusionserwärmungsschritts vergrößert. Andererseits wird der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2, der anfangs kleiner gewesen ist, rasch größer als der in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1, erreicht nach einer Zeitperiode eine Spitze, und wird anschließend kleiner und näher zu dem in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1. Wie in 4B gezeigt, verringert sich, wie der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2 im Verlauf der Zeit schwankt, der Spleißungsverlust von ungefähr 1,7 dB auf ungefähr 0,08 dB nach 450 Sekunden, und bleibt danach so niedrig wie dieser Wert.
  • 5A und 5B zeigen eine Schwankung der MFDs, definiert durch Petermann I, in den benachbarten Endflächen der opti schen Faser 1 und 2 bzw. des Spleißungsverlustes im Verlauf der Erwärmungszeit mit dem Verfahren zum Spleißen von zwei optischen Fasern ähnlich zu der oben beschriebenen Ausführungsform, aber ohne den Vorfusionserwärmungsschritt, wie in der Achse der Abszisse während des Nachfusionserwärmungsschritts gezeigt.
  • Wie in 5A gezeigt, schwankt der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1 im Verlauf der Zeit wenig, wobei im wesentlichen der anfängliche Durchmesser gehalten wird. Andererseits wird der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2, der anfangs kleiner gewesen ist, rasch größer als der in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1, erreicht nach einer Zeitperiode eine Spitze und wird anschließend kleiner. Der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2 verringert sich jedoch nicht zu ungefähr dem gleichen MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 1, und die Differenz zwischen dem MFD der zwei optischen Fasern bleibt anders als in dem Fall der Ausführungsform ungefähr 4 μm. Wie in 5B gezeigt, verringert sich, da der MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2 im Verlauf der Zeit schwankt, der Spleißungsverlust von ungefähr 1,3 dB auf ungefähr 0,4 dB nach 450 Sekunden, und verringert sich danach nicht weiter.
  • Wenn der Fusionsspleißungsschritt nach Vergrößern des MFD in der benachbarten Endfläche der optischen Faser 2 durchgeführt wurde, deren MFD kleiner als der der optischen Faser 1 ist, wie in der japanischen Patentanmeldung Offenlegung Nr. 04-118607 offenbart, werden die MFDs der zwei optischen Fasern nicht nahe zueinander, was somit zu einem Fehlschlag beim Reduzieren des Spleißungsverlustes führt, ähnlich zu dem Fall, wie in 5A und 5B gezeigt.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Verbinden durch Fusionsspleißen einer ersten optischen Faser (1), umfassend eine Kernregion mit einer hohen Brechzahl und enthaltend die optische Achse, und eine Umhüllungsregion mit einer niedrigen Brechzahl und die Kernregion umgebend, und mit einem ersten Modenfelddurchmesser, der sich mit Erwärmungszeit erhöht, und einer zweiten optischen Faser (2), umfassend eine Kernregion enthaltend die optische Achse, eine Grabenregion, die die Kernregion umgibt, eine Kammregion, die die Grabenregion umgibt, und eine Umhüllungsregion, die die Kammregion umgibt, und mit einem zweiten Modenfelddurchmesser, der sich mit Erwärmungszeit zuerst erhöht und als Nächstes verringert, wobei der zweite Modenfelddurchmesser kleiner als der erste Modenfelddurchmesser ist, das Verfahren umfassend: einen Schritt zum Erwärmen eines Abschnitts enthaltend eine benachbarte Endfläche der ersten optischen Faser (1) so, um eine Dotiersubstanz zu verbreiten; einen Schritt zum Verbinden der ersten (1) und der zweiten (2) optischen Fasern durch Fusionsspleißen; und einen Schritt zum Erwärmen eines Abschnitts enthaltend den fusionsgespleißten Teil zwischen den ersten und den zweiten optischen Fasern so, um die darin enthaltene Dotiersubstanz zu verbreiten und die Differenz zwischen den Modenfelddurchmessern in dem fusionsgespleißten Teil (3) der zwei Fasern zu reduzieren.
  2. Verfahren zum Verbinden der optischen Fasern durch Fusionsspleißen nach Anspruch 1, wobei der Modenfelddurchmesser, der durch Petermann I definiert ist, in der benachbarten Endfläche der ersten optischen Faser (1) um mindestens 1 μm durch Erwärmen des Abschnitts enthaltend die benachbarte Endfläche davon so vergrößert wird, um die Dotiersubstanz während des Erwärmungsschrittes vor Fusionsspleißen zu verbreiten.
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