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Gebiet der
Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich das Gebiet
der optischen Schalter. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf Verfahren zum effizienten Herstellen eines Arrays von optischen
Fluidschaltern.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die Faseroptik wird bei einer breiten
Vielfalt von Anwendungen verwendet. Eine Anwendung liegt in dem
Bereich der Kommunikationssysteme. Bei diesen Systemen kreuzen sich
Schaltpunktvernetzungen beim Verbinden von vielen Stellen miteinander.
Spezifisch betrachtet werden Informationssignale, in der Form von
Modulationen von lasererzeugtem Licht, über faseroptische Kabel von
einer Mehrzahl von Anschlüssen
empfangen und anschließend
zu denselben übertragen.
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Ein Schaltnetzwerk leitet die Informationssignale
selektiv hin und weg von den Anschlüssen. Oft wandelt das Schaltnetzwerk
das durch jeden übertragenden
Anschluß emittierte
Licht zunächst
in entsprechende elektrische Signale um. Die Mehrzahl dieser elektrischen
Signale werden durch eine geschaltete elektrische Schaltungsanordnung
in dem Schaltnetzwerk jeweils zu ausgewählten Ausgangstoren des Schaltnetzwerkes
geleitet. Die einstweilen empfangenen elektrischen Signale werden
schließlich
zur Übertragung
durch die faseroptischen Kabel hindurch zu Endempfangsanschlüssen in
entsprechendes moduliertes Licht umgewandelt. Die Umwandlung des
modulierten Lichts in elektrische Signale und anschließend zurück in modulierte
Lichtenergie, zusammen mit der rekonfigurierbaren elektrischen Schaltschaltungsanordnung,
erfordert die Verwendung teurer Komponenten und/oder schränkt die potentielle
Bandbreite des Datenkommunikationssystems ein.
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Vollständig optische Schalter ohne
zwischenzeitliches elektrisches Signal werden immer häufiger mechanisch
hergestellt. Fasern oder Spiegel werden mechanisch zwischen Stellen
bewegt, und eine Vernetzung dieser mechanischen Schalter wird verwendet,
um Mehrzahlen von Anschlüssen wie
oben zu verbinden. Die optomechanischen Schalter überspringen
die komplexen Schritte der zwischenzeitlichen Umwandlung in elektrische
Signale, doch sind die Schalter und die Rekonfigurierung der Schalterstrukturen
langsamer als erwünscht.
Die Kosten und optischen Verluste dieser Schalterstrukturen machen
optische Fluidschalter zu einem begehrten Ziel.
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Optische Fluidschalter verbessern
die Geschwindigkeit, mit der vollständig optische Netzwerke rekonfiguriert
werden können.
Da diese Schalter Siedeblasen verwenden, um die Schalterpunkte EIN
und AUS zu drehen, können
die Rekonfigurierungszeiten ohne weiteres weniger als 1 ms betragen.
Diese Schalter weisen ein Gas oder eine siedebare Flüssigkeit
auf, die einen optischen Wellenleiter in einem Kanal schräg kreuzt.
Bei einem Beispiel verwenden ein oder mehrere Heizerelemente den
nassen/dampfförmigen/trockenen
Zustand einer thermischen Tintenstrahltechnik, um eine siedebare
Flüssigkeit
schnell in den Kanal einzubringen bzw. schnell aus demselben herauszuextrahieren.
Die siedebare Flüssigkeit weist
einen Brechungsindex nahe dem des Leiters auf. In dem nassen Zustand
oder „Sperrzustand" (AUS) enthält der Kanal
die Flüssigkeit
und fast das gesamte Licht des eingehenden Leiters durchquert die
Flüssigkeit
und läuft
weiter entlang der „Durchgangs"-Achse des Leiters.
In dem trockenen Zustand oder „Kreuzungszustand" (EIN) enthält der Kanal Gas
und das Licht wird im Inneren reflektiert. Das Kreuzungslicht läuft in einem
großen
Winkel zu der Achse des eingehenden Lichtleiters einen zweiten „Kreuzungs"-Leiter hinunter
weiter.
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Ein Nachteil dieser vollständig optischen Schalter
ist die bei ihrer Erzeugung erforderliche hohe Präzision.
Die sich daraus ergebenden hohen Kosten und das technische Risiko
machen diese Schalter zu problematischen Investitionen. Es wäre erwünscht, die
Herstellung dieser Schalter derart zu verbessern, daß die Hochpräzisionserzeugung
wegfällt.
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Die
EP 0813088 A (ein bekanntes Dokument in dem
Sinne von Artikel 54(3) und (4) EPC) offenbart einen optischen Fluidschalter,
der ein Wellenleitersubstrat, das ein Gitter aus optischen Fasern
umfaßt, wobei
die Schnittpunkte des Gitters derart geschnitten sind, daß eine Fläche hochreflektierend
ist, und ein Heizersubstrat aufweist, das unter dem Wellenleitersubstrat
positioniert ist und einen Heizer mit kleinen Gräben auf gegenüberliegenden
Seiten und einem weiteren Graben aufweist, so daß ein Reservoir gebildet wird,
das ein Fluid umfaßt.
Der Schalter ist EIN, wenn in dem Reservoir über dem Heizer eine Blase gebildet
ist, und ist AUS, wenn die Blase nicht mehr in dem Heizer ist.
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Die vorliegende Erfindung löst die oben
genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen optischer Fluidschalter
gemäß Anspruch
1, einen optischen Fluidschalter gemäß Anspruch 10 und einen entlüfteten optischen
Fluidschalter gemäß Anspruch 12.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A–C sind Ansichten eines optischen Fluidschalters
mit „residenter
Blase", der eine
Blase in einem gefüllten
Flüssigkeitskanal
erzeugt, um Licht an einem Schnittpunkt umzuleiten.
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2A–B stellen ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines optischen Fluidschalters mit „residenter Blase" dar, bei dem die
Blase in dem Flüssigkeitskanal
zwei Heizer aufweist.
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines alternativen Fluidschalterausführungsbeispiels,
bei dem eine Blase mit unsachgemäßer Größe dazu
gebracht werden kann, aus dem Schalterbereich auszutreten.
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4 stellt
den „austreibenden" Fluidschalter dar,
bei dem Flüssigkeit
in den Schnittpunkt eingespritzt und aus demselben ausgestoßen wird.
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5 stellt
ein Flußdiagramm
dar, welches das Verfahren der vorliegenden Erfindung beschreibt,
das eine Wellenleiterplatte und eine Heizerplatte umfaßt.
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6A–B stellen eine teilweise und eine vollständig fertiggestellte
Wellenleiterplatte vor den endgültigen
gewinkelten Sägeschnitten
an den Kreuzungspunkten dar.
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7A–C stellen unterschiedliche Ausführungsbeispiele
der Heizerplatte dar.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1A–C sind Ansichten eines Ausführungsbeispiels
des optischen Fluidschalters 10 mit „residenter Blase". 1A ist eine gewinkelte Oberansicht, die
in den optischen Schnittpunkt 11 hineinblickt. 1B ist eine Vorderansicht
des Schnittpunkts, wohingegen 1C eine
Seitenansicht ist.
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In 1A wirkt
eine eingehende Faser als ein Wellenleiter 22A. Licht wandert
durch den Kern 17 des eingehenden Wellenleiters 22A und
andere Faserwellenleiter. An dem optischen Schnittpunkt 11 liegt
ein flacher Sägeschnitt
vor, der die Kerne der eingehenden bzw. ausgehenden Wellenleiter 22A, 22C, 22D freilegt.
Eine Fläche
des flachen Schnitts ist hochreflektierend. Der Schnitt ist positioniert,
so daß das
eingehende Licht von der hochreflektierenden Fläche abreflektiert wird und
entlang des Kerns des ausgehenden Wellenleiters 22B austritt,
der einfach gegen die Seite der eingehenden Faser anstößt. Diese
Umleitung tritt auf, weil eine Differenz der Brechungsindizes zwischen
dem faseroptischen Material und dem Dampf innerhalb der Blase 18 vorliegt. Wenn
das eingehende Licht den Kern 17 des Ausgangswellenleiters 22B knapp
verpaßt,
dann tritt in dem EIN-Zustand
ein Verlust auf. Die Plazierung des Sägeschnitts bestimmt den Betrag
des EIN-Verlusts in dem Fluidschalter.
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Der oben erwähnte „Kreuzungs"-Zustand entspricht dem EIN-Zustand des Schalters 10,
bei dem Licht von der eingehenden Achse zu der ausgehenden Achse
umgeleitet wird. Wenn die Blase abgeschaltet ist, füllt die
Indexanpassungsflüssigkeit 24 in
dem Körper
des Schalters den Schnittpunkt. Der „Sperr"-Zustand entspricht dem AUS-Zustand,
bei dem eingehendes Licht nicht umgeleitet wird, sondern entlang
der eingehenden Achse in einen Wellenleiter 22C weiter
wandert. Der Lichtverlust in dem AUS-Zustand wird durch ein Ausbreiten
und Streuen von Licht durch das Fluid in dem schmalen Sägeschnitt
bestimmt.
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Ein Heizer 12 ist auf einer
Mesa 14 einer Heizerplatte 16 positioniert und
erzeugt eine Blase 18. Die Blase 18 ist in den 1B–C zu
sehen und wird erzeugt, wenn dem Heizer 12 Energie zugeführt wird. Die
Mesa 14 ist breit genug hergestellt, um die Breite des
Sägeschnitts
zu überbrücken, wobei
der Heizer 12 vorzugsweise gegenüber der Mittellinie der optischen
Wellenleiter 22A, 22B plaziert ist. Der Heizer 12,
d. h. ein Widerstand, erzeugt genügend Wärme, so daß eine einzelne Blase über demselben
gebildet wird. Die Blase 18 ist groß genug, um die reflektierende
Seite ausreichend zu berühren,
wenn sich der Fluidschalter in dem EIN-Zustand befindet.
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Die 2A–B stellen ein alternatives Ausführungsbeispiel
für den
Fluidschalter 10' mit „residenter
Blase" dar. Ein
erster und ein zweiter Heizer 12A, 12B sind auf
der Mesa 14 positioniert. Eine Blase 18 ist an
der Spiegelfläche 11 gebildet,
die den eingehenden Wellenleiter 22A kreuzt. Wenn der erste
Heizer 12A aktiviert wird, wird eine Blase 18 gebildet
und der Schalter 10' in
den EIN- oder „Kreuzungs"-Zustand versetzt.
Wenn der erste Heizer 12A abgeschaltet und der zweite Heizer 12B aktiviert wird,
wandert die Blase 18 von dem Schnittpunkt zu einer von
der Spiegelfläche
entfernten Position, derart, daß die
Spiegelfläche
mit Flüssigkeit 24 bedeckt ist.
Die Wanderung ist entlang der Mesa (die eine Aussparung in derselben
enthalten kann) umkehrbar. Der Schalter 10' wird somit in den AUS- oder „Sperr"-Zustand versetzt.
Zusätzliche
Wärme kann erforderlich
sein, um zu verhindern, daß die
Blase 18 zusammenfällt.
Sie fällt
sofort zusammen, wenn der Dampf sieh in der Siedephase der Flüssigkeit 24 befindet.
Die Blase 18 fällt
langsam zusammen, wenn der Dampf gelöstes Gas aus der Umgebung ist.
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3 stellt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Fluidschalter 10'' mit „residenter Blase" dar. Wenn eine unsachgemäß große Blase 18 den
Raum über
der Mesa 14 füllt,
ist: der Schalterpunkt in dem „EIN"-Zustand erstarrt,
weil weder der Heizer 12A noch 12B die Blase 18 von
dem Schnittpunkt weg bewegen kann. Um dem abzuhelfen, ist in der
Nähe der beiden
Heizer 12A, 12B ein Durchgangsloch plaziert. Wenn
die Blase 18 zu groß wird,
werden beide Heizer 12A, 12B aktiviert und die
vermehrte Wärme
schiebt die Blase 18 teilweise in das Durchgangsloch hinein (wie
abgebildet). An dieser Stelle ermöglichen die schrägen Seiten
des Durchgangslochs, daß die
Blase 18 durch Austreten aus der „Ent lüftung" ihre Oberfläche verringert. Anschließend kann
eine neue, kleinere Blase erzeugt werden. Eine optionaler Reservoirkanal 26 ist
abgebildet, um der Schaltregion einen Flüssigkeitsvorrat aus einer externen
Quelle bereitzustellen.
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4 zeigt
einen „austreibenden" Fluidschalter 30.
Er ist in dem nassen oder AUS-Zustand mit Flüssigkeit 33 an dem
Schnittpunkt 36 abgebildet. Der Raum zwischen der Wellenleiterplatte 20 und
der Heizerplatte 16 ist mit einem Gas, d. h. Luft, gefüllt. Dieser
Schalter verwendet weniger Flüssigkeit,
die auf den Boden oder die schmalen Räume in der Anordnung beschränkt ist.
Wenn eine Flüssigkeit 33 in die
schmalen Räume
eingespritzt wird, wie abgebildet, verbleibt sie dort, bis sie gestört wird.
Ein Reservoirkanal 26 liefert eine eingehende Flüssigkeit 24 und
ein optionaler Steuerschwamm 34 regelt ein Fluid aus einer
externen Quelle. Der Fluidpegel wird vorzugsweise gerade über der
Höhe des
treibenden Heizers 32 gehalten. Der Schalter wird durch
Zuführen von
Energie zu dem ersten Heizer 12 an dem Schnittpunkt in
den trockenen EIN- oder „Kreuzungs"-Zustand versetzt.
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Wenn der Schnittpunkt trocken ist
und der Schalter sich in dem „EIN"- oder „Kreuzungs"-Zustand befindet,
dann siedet die Flüssigkeit,
falls dem treibenden Heizer 32 Energie zugeführt wird.
Ein Teil der Flüssigkeit
wird in die Region des Schnittpunkts über der Mesa 14 getrieben.
Diese getriebene Flüssigkeit 33 in
dem Schnittpunkt 36 ermöglicht,
daß Licht
entlang der Achse der eingehenden Faser 22A weiterwandert,
und der Schalter geht in den AUS- oder nassen Zustand über. Der
treibende Heizer 32 kann abgestellt werden, wenn genügend Flüssigkeit 24 gesiedet
wurde.
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Beim Schalten in den EIN-Zustand
wird dem Heizer 12 Energie zugeführt. Anschließend wird
ein Teil des Fluids 33 verdampft, während ein anderer Teil aus
dem Schnittpunkt ausgestoßen
wird, wobei der Bereich über
der Mesa 14 trok ken gelassen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
bewegt sich das Fluid mehr als bei den anderen Ausführungsbeispielen,
daher müssen
Wege und Oberflächen
bereitgestellt sein, um einen Kapillarfluß zu ermöglichen, um überschüssiges Fluid
zu dem Vorratskanal, dem Steuerschwamm und der externen Quelle zurückzubewegen.
Aus der Entlüftung 38 eingespritztes
Fluid kann zu der externen Quelle zurückgeführt werden und eine Nettofluidzirkulation
kann eine frische Fluidzufuhr für
den Reservoirkanal 26 gewährleisten.
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Die scharfen und weichen Ecken in
der Anordnung sind angeordnet, um ein dochtmäßiges Zurückfließen zu dem Reservoirkanal 26 und
zu dem Flüssigkeitspegelsteuerschwamm 34 zu
erhöhen. Eine
optionale Niedrigoberflächenenergieschicht,
z. B. Wachs, kann auf den Schnitt der optischen Faser aufgebracht
werden, um eine Flüssigkeitsverstopfung
zu reduzieren. Eine optionale Hochoberflächenenergie-Flüssigkeitsanziehungsschicht
kann auf dem Widerstandsblock aufgebracht sein, um eine Flüssigkeit
zu unterstützen,
zu dem Reservoirkanal 26 zurückzugelangen.
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Zu den Mesas 14 benachbarte
Räume stellen
den für
die optischen Blasenschalter erforderlichen Atmungsfluidflußweg bereit.
Wenn Blasen erzeugt werden oder wenn sich Blasen plötzlich bewegen,
tritt ein Flüssigkeitsfluß auf, und
innere Atmungsflußwege
sind erforderlich, um die örtlichen Drücke zu entlasten.
Die Atemlöcher, ähnlich der
in 3 und 4 abgebildeten Entlüftungen, können entweder in der Wellenleiterplatte 20 oder
der Heizerplatte 16 positioniert sein.
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5 zeigt
ein Prozeßflußdiagramm
zum Herstellen eines optischen Fluidschalters. Die Schritte 40–80, genauer
dargestellt in den 6A–B, sind auf ein Herstellen der Wellenleiterplatte 20 gerichtet. Die
Schritte 90–100,
genauer dargestellt in den 7A–B, sind auf ein Herstellen der Heizerplatte 16 gerichtet.
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Bei Schritt 40, dargestellt
in 6A, wird die Wellenleiterplatte 20 mit
Sägeschnitten
vorbereitet, um ein Kreuzschienengitter zu bilden. Beispielsweise können die
Streifen mehrere Millimeter auseinander liegen und der Kreuzungswinkel
kann 90 Grad betragen. Die Schnitte sind 130 μm breit und 150 μm tief. Säulen der
Faser 22A werden in einer Abmessung in die Sägeschnitte
gelegt. Die Fasern weisen einen Durchmesser von 125 μm auf.
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Bei Schritt 50 wird ein
Satz aus Spaltvorrichtungen, z. B. eine Reihe von Anreißplatten
(erhältlich von
Fujikura), zum Erzeugen der Leitersprossen 22B zwischen
den Säulen 22A in
der Wellenleiterplatte 20 beabstandet plaziert. Ein Druckspalten
der suspendierten Segmente ergibt wiederholbare Sprossen für die Wellenleiterplatte 20.
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Bei Schritt 60, dargestellt
in 6B, werden ein Abstreifer
und ein Rüttelfluid
aus zwei Gründen angewendet:
erstens, um die Sprossen 22B dazu zu bringen, in die Räume zwischen
den Säulen 22A auf der
Platte 20 zu fallen, und zweitens, um die Sprossen 22B nach
rechts gegen die Säulen 22A zu
stoßen.
Das Rüttelfluid,
z. B. ein nicht gesetztes Epoxid, schmiert die Faserstücke. Die
Wellenleiterplatte 20 wird gekämmt, um die Sprossen 22B nach
rechts zu stoßen
ohne Zwischenraum. Die Zwischenräume
treten auf der linken Seite der Sprossen 22B auf.
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Bei Schritt 70 wird Licht über die
Fasern 22B von einer Seite des Fasergitters, d. h. der
linken Seite, gesendet, um die Ausrichtung zu überprüfen und später die Säge zu führen. Ein Streulicht wird an
den in Schritt 60 erwähnten
Zwischenräumen
beobachtet. Diese Zwischenräume
geben an, wo die Sprossen 22B fehlerhaft in die Säulen 22A eingefügt wurden.
Die Farbe dieses leitenden Lichts kann für einen Multimode-Betrieb der
Fasern gewählt
werden, um die Streuung zu erhöhen.
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Bei Schritt 80 werden die
Sprossen 22B mittels eines Epoxidharzes in Position verklebt.
Bei Schritt 85 werden Lichtsägeschnitte auf der Wellenleiterplatte
hergestellt. Die Sägeschnitte
werden präzise
an dem optischen Schnittpunkt 11 der Faserkerne zwischen
der Sprosse und der Säule
plaziert. Diese sorgfältig
beabstandeten Schnittpunkte sind die Schnittpunkte des Schalters.
Die Breite des Sägeschnittes
bringt die kleinen längenmäßigen Abweichungen
der Leitersprossen unter, welche die Zwischenräume erzeugen. Der erwünschte Sägeschnitt sollte
glatt sein, um eine glatte Spiegelfläche für eine gute Reflexion bereitzustellen.
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Bei den Schritten 90–100 wird
die Heizerplatte 16 hergestellt. Die drei Teile aus 7 zeigen drei Heizerplattenarten,
wobei jede Platte einem der oben erörterten Ausführungsbeispiele
der Erfindung entspricht. Bei diesem Diagramm werden zuerst die
Mesas, Gräben
und Durchgangslöcher
auf der Platte hergestellt (Schritt 90), und anschließend werden
die Heizerwiderstände
mit ihren zugeordneten elektrischen Verbindungen hergestellt (Schritt 100).
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Bei Schritt 110 werden die
ausgerichteten Platten mittels eines Epoxidharzes in Position verklebt.
Die Heizerplatte, abgebildet in den 7A–B, wird derart aufgebracht, daß sich die
Heizer 12, 12A dort befinden, wo die Faserübergänge auftreten.
Diese Heizer erzeugen die Blasen, die das Licht schalten. Diese
Heizer 12, 12A, 12B, 32 sind
Widerstände, die
für eine
Verdampfung verwendet werden und auf erhöhten Mesas plaziert sind, um
frei von den umgebenden Ebenen zu sein, und sind groß genug,
um kleine Abweichungen an den Schnittpunkten zu berücksichtigen.
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Bei Schritt 120 wird ein
entferntes Reservoir an die Gräben
und Räume
zwischen den Platten angebracht, d. h. durch eine Gruppe von Dochten
zu den Gräben.
Der Flüssigkeitspegel
in den Räumen wird
durch den negativen hydrostatischen Druck eingestellt, der in dem
entfernten Reservoir aufrechterhal ten wird. Dieser Druck wird durch
Einrichtungen gesteuert, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind.