DE3004714A1 - Mechanischer, optischer umschalter - Google Patents

Mechanischer, optischer umschalter

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DE3004714A1 DE19803004714 DE3004714A DE3004714A1 DE 3004714 A1 DE3004714 A1 DE 3004714A1 DE 19803004714 DE19803004714 DE 19803004714 DE 3004714 A DE3004714 A DE 3004714A DE 3004714 A1 DE3004714 A1 DE 3004714A1
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Description

Γ Π
Die Erfindung betrifft eine mechanische, optische Weiche für nachrichtentechnische Systeme und insbesondere zum Umschalten optischer Übertragungswege.
Bei optischen Fernmeldesystemen mit optischen Pasern als Übertragungsmedium, die unter großer öffentlicher Anteilnahme intensiv entwickelt worden sind, sind optische Umschalter oder Weichen zum gegenseitigen Verbinden und Trennen der optischen Übertragungswege unerläßlich.
Aus dem Aufsatz "Electrically Switched Directional Coupler: Cobra" von M. Papuchon et al. in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Bd. 27 Nr. 5, S. 289 bis 291 vom 1. Septem-
ist
ber 1975,/eine elektro-optische Weiche beruhend auf der optischen Indikationstechnik bekannt. Diese Weiche kann mit hoher Schaltgeschwindigkeit betrieben werden, weist jedoch als Nachteil eine hohe Einfügungsdämpfung auf, die durch Temperaturänderungen stark beeinflußt wird. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist eine mechanische, optische Weiche mit geringer Einfügungsdämpfung jedoch relativ niedriger Umschaltgeschwindigkeit bekannt geworden (vgl. den Aufsatz "Optical Switching System Experiment" von H. Ogiwara et al. in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Communications", Bd. COM-27, Nr. 2, S. 517 bis 521 (Februar 1979) - ein entsprechender Vortrag wurde anläßlich der Veranstaltung "Technical Group Meeting on Switching Engineering of the Institue of Electronic and Communication Engineers of Japan" im Juni 1978 in Tokyo, Japan, gehalten). Da dieser bekannte Schalter ein 1 χ 2-Schalter ist, sind 17 derartige Schalter erforderlich, um ein 4 χ 3-Schalternetzwerk zusammenzustellen, so daß dieses Schalternetzwerk kompliziert ist und eine große Einfügungsdämpfung aufweist.
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Γ "1
"5- 30LU7U
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mechanische, optische Weiche mit geringer Einfügungsdämpfung zu schaffen. Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig» 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Fig» 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Ausführungsform gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 4,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform und
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 6.
Der in Fig. 1 dargestellte optische 2 χ 2-Umschalter weist an
seinem Eingang eine erste und eine zweite optische Faser 1 bzw. 2 auf; eine erste und eine zweite Linse 5 bzw. 6 kollimieren die aus der ersten bzw, aus der zweiten optischen Faser 1 bzw. 2 austretenden Lichtstrahlen zu parallelen Lichtstrahlen; ein
dielektrisches Bauteil 13 mit gleichmäßigem Brechungsindex ist 30
hinter den beiden Linsen 5 und 6 angeordnet, um die optischen Wege der parallel gerichteten Lichtstrahlen aus den beiden Linsen 5 und 6 umzuschalten; mittels einer dritten und einer vierten Linse 9 bzw, 10 werden die parallel gerichteten Lichtstrahlen nach dem dielektrischen Bauteil 13 fokusäert; am Aus-
gang des Umschalters sind eine dritte und eine vierte optische
Faser 1· bzw» 21 vorgesehen, in die die von der dritten bzw. l_ 030036/0599 j
Γ Π
vierten Linse 9 bzw. 10 herrührenden Lichtstrahlen eintreten; schließlich ist ein Antrieb 14 vorgesehen, um das dielektrische Bauteil 13 in den Bereich der axialen Linien der ersten und der zweiten Linse 5 und 6 hineinzubewegen oder aus diesem Bereich herauszuziehen.
Ein Gehäuse 16 besteht aus einem unmagnetischen Material, wie Edelstahl oder Kunstharz. Eingangs fasern 1 und 2 sind an einer seitlichen Gehäusewand vorgesehen und liegen den Ausgangsfasern 1' und 21 gegenüber. Durch diese Anordnung werden gerade optische Wege zwischen den Pasern 1 und I1 und zwischen den Pasern 2 und 2' gebildet. Die stabförmigen Eingangslinsen 5 und 6 zum Kollimieren der aus den Pasern 1 bzw· 2 austretenden Lichtstrahlen sind hinter den Eingangsfasern 1 und 2 angeordnet. Die stabförmigen Ausgangslinsen 9 und 10 zum Fo&issieren der parallel gerichteten Lichtstrahlen, die aus den Eingangslinsen 5 und 6 austreten, sind vor den Ausgangsfasern I1 und 2' vorgesehen. Das dielektrische Bauteil 13 ist zwischen den Eingangslinsen und den Ausgangslinsen angeordnet, um die optischen Wege der aus den Linsen 5 und 6 austretenden Lichtstrahlen umzuschalten. Das Bauteil 13 wird mit Hilfe eines Antriebs 14 in die optischen Wege der Linsen 5 und 6 eingeschoben oder aus diesen herausgezogen. Zur Stromversorgung des Antriebs I1I sind Anschlüsse 15 vorgesehen.
In Fig. 2 ist der Antrieb 14 gemäß Fig. 1 vergrößert dargestellt. Der Antrieb 14 weist einen Halter 18 mit einem Permanentmagneten 17 auf. Das dielektrische Bauteil 13 ist an dem Halter befestigt. Der Antrieb 14 weist ferner ein Führungsteil 20 mit einer Nut 19, in der der Halter 18 gleitet, Elektromagnete 21 und 22 zum Antreiben des Halters 18 sowie ein Paar Anschläge 23 und 24 auf, um eine Bewegung des Halters 18 über die Enden der Nut 19 hinaus zu verhindern·
Die Arbeitsweise des Umschalters gemäß Fig. 1 wird im Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert. Es sei angenommen, daß die
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Γ Π
Elektromagnete 21 und 22 so erregt werden, daß das elektrische Bauteil 13 durch den Elektromagneten 21 angezogen und von dem Elektromagneten 22 abgestoßen wird, d. h. das !dielektrische Bauteil 13 befindet sich in der gestrichelten Lage. In diesem Fall werden die von den Pasern 1 und 2 emittierten Lichtstrahlen durch die Linsen 5 bzw. 6 kollimiert, und die so kollimierten Lichtstrahlen werden durch die Linsen 9 bzw, 10 x'okussieren und schließlich in die Pasern I1 bzw. 2* gelenkt (vgl. die gestrichelten optischen Wege). Wenn die Elektromagnete 21 und 22 mit entgegengesetzter magnetischer Polarität erregt werden, so kommt das Bauteil 13 in die durchgezogene Lage. Die optischen Wege der von den Linsen 5 und 6 kommenden, kollidierten Lichtstrahlen werden innerhalb des Bauteils 13 umgeschaltet (vgl. die durchgezogenen Linien der optischen Wege in Fig. 3). Durch die so umgeschalteten optischen Wege werden die Lichtstrahlen mit Hilfe der Linsen 9 und 10 fokussiert und in die Fasern 1' bzw. 2* gelenkt.
Wie vorstehend erläutert, wird der Lichtstrahl aus der Faser 1 entweder zur Faser 1' oder zur Faser 21 und der Lichtstrahl der Faser 2 ent;*eder zur Faser 21 oder zur Faser I1 gelenkt, wobei dies davon abhängt, ob das Bauteil 13 sich in den optischen Achsen der Linsen 5 und 6 befindet.
Die zweite Aus führungs form gemäß den Fig. 4 und 5 ist ein 2 χ 2-ümschalter mit Fassungen 25 bis 28, Fasern 1,2, 1* und 2' sowie dreieckigen Spiegeln 29 und 30, die jeweils aus einem dreieckigen Glasstück bestehen, auf dem durch ein Vakuumaufdampf ve rf ahren dielektrische Mehrfachschichten aufgebracht sind. Bei dieser zweiten Ausführungsform sind die Eingangs- und Ausgangs fasern 1 bzw. lf an der einen Seitenwand des Gehäuses 16 angeordnet, so daß diese zur Bildung eines optischen Weges miteinander optisch verbunden werden können. Ferner sind die Eingangs- und Ausgangs fas er η 2 bzw. 2' an der gegenüberliegenden Seitenwand angeordnet und zur Bildung eines entsprechenden optischen Weges in ähnlicher Weise mit-
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Γ Π
einander optisch verbindbar. Der übrige Aufbau der zweiten Ausführungsform entspricht dem der ersten Ausführungsform und daher kann eine weitere Beschreibung entfallen.
Der UmsehaltVorgang bei der zweiten Ausführungsform wird im Zusammenhang mit Fig. 5 näher erläutert. Es sei angenommen, daß die Elektromagnete 21 und 22 derart betätigt sind, daß das dielektrische Bauteil 13 von dem Elektromagneten 21 angezogen und von dem Elektromagneten 22 abgestoßen wird (vgl.
die gestrichelte Lage des Bauteils 13 in Fig. 5). Dabei werden die aus den Fasern 1 und 2 austretenden Lichtstrahlen durch die Linsen 5 bzw. 6 kollimiert. Die so kollimierten Lichtstrahlen werden durch die Spiegel 29 und 30 reflektiert, kehren ihre Richtungen um /werden durch die Linsen 9 bzw. 10 in die Fasern lf bzw. 2f fokussiert(vgl. die gestrichelten Linien der optischen Wege). Wenn die Elektromagnete 21 und 22 mit umgekehrter magnetischer Polarität erregt werden, so befindet sich das dielektrische Bauteil 13 in der in Fig. 5 mit durchgezogenen Strichen eingezeichneten Lage. Die von den Linsen 5 und 6 kommenden kollimierten Lichtstrahlen werden durch den Spiegel 29 reflektiert und dann innerhalb des Bauteils 13 auf den eingezeichneten optischen Wegen umgeschaltet; die so umgeschalteten Lichtstrahlen werden von dem Spiegel 30 reflektiert und danach durch die Linsen 10 bzw. 9 in die Faser 2f bzw. lf fokussiert. Dadurch werden die aus den Fasern 1 und 2 austretenden Lichtstrahlen entweder zu den Ausgangsfasern 1' bzw. 2* oder in die Ausgangsfasern 21 bzw. I1 gelenkt, und zwar in Abhängigkeit davon, ob das dielektrische Bauteil 13 sich zwischen den Spiegeln 29 und 30 befindet.
Der in Fig. 6 dargestellte 4 χ 4-Umschalter hat vier Eingangsfasern 1 bis 4 am einen Ende des Gehäuses 16 und vier Aus gangs fasern I1 bis 1J1 am anderen Ende. Stabförmige Linsen 5 bis 8 und 9 bis 12 sind hinter den Fasern 1 bis 4 bzw. vor den Fasern I1 bis 41 angeordnet.
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Γ Π
"9" 300Α7Η
Zwischen den Eingangs fas em 1 bis 4 und den Aus gangs fasern bis 4f sind sechs dielektrische Bauteile 13A bis 13F angeordnet, um die optischen Wege der Lichtstrahlen von den Eingangsfasern 1 bis 4 umzuschalten. Die Bauteile 13A und 13B schalten die optischen Wege der Pasern 1 und 2, die Bauteile 13B und 13S,die optischen Wege der Fasern 3 und 4 und die Bauteile 13C und 13F die optischen Wege der Fasern 2 und 3. Die Bauteile 13A bis 13F werden von Antrieben I1IA bis 14F angetrieben, die jeweils den gleichen Aufbau wie der Antrieb gemäß Fig» 2 aufweisen.
Die dritte Ausführungsform wird im Zusammenhang mit Fig. 7 und Tab. I näher erläutert. In Tab. I bedeutet "1" in dem Abschnitt "Position der dielektrischen Bauteile", daß das betreffende dielektrische Bauteil 13A bis 13F sich in den optischen Wegen zweier vorgegebener Eingangsfasern befindet (in Fig. 7 befinden sich die mit durchgezogener Linie eingezeichneten dielektrischen Bauteile alle in der "1"-Position), während "0" den Fall kennzeichnet, bei dem das jeweilige dielektrische Bauteil sich außerhalb der optischen Wege befindet (in Fig. 7 sind alle gestrichelt eingezeichneten dielektrischen Bauteile in der "0"-Position). Ferner zeigt der Abschnitt "Anschluß" in Tab. I die Beziehung zwischen den Eingangs fasern 1 bis 4 und den Ausgangsfasern 1· bis 4'.Da beispielsweise im Schaltzustand A die Bauteile 13A bis 13F sich alle außerhalb der optischen Wege der Eingangs fasern 1 bis 4 befinden (siehe gestrichelte Positionen der Bauteile in Fig. 7), gelangen die aus den Eingangsfasern 1 bis 4 austretenden Lichtstrahlen unmittelbar in die Ausgangs fasern bis 4». Im Schaltzustand X sind alle Bauteile 13A bis 13F entsprechend der Darstellung in Fig. 7 mit den durchgezogenen Linien angeordnet, so daß der optische Weg des Lichtstrahls aus der Faser 1 zunächst durch das Bauteil 13A in den optischen Weg der Faser 2, dann durch das Bauteil 13C
in den optischen Weg der Faser 3 und schließlich durch das Bauteil 13E in den optischen Weg der Faser 4 abgelenkt wird
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und in die Ausgangsfaser 1J1 eintritt. In ähnlicher Weise tritt der von der Paser 2 herrührende Lichtstrahl in die Ausgangsfaser 3', der Lichtstrahl aus der Faser 3 in die Faser 2' und der Lichtstrahl aus der Faser 1J in die Faser I1 ein.
10
Dadurch werden die Eingangsfasern 1 bis 4 mit den Ausgangsfasern I1 bis 1P in Abhängigkeit von der Kombination der Bauteile 13A bis 13F verbunden. Die Positionen der Bauteile 13A bis 13F können in Abhängigkeit von der magnetischen Polarisation der Elektromagneten in den Antrieben I1IA bis I1IF geändert werden.
15
Durch Messungen wurden die nachstehenden Parameter der optischen Schalter gemäß den Fig. 1I bis 6 ermittelt:
20 Schalterart 2 χ 2-Schalter
(Fig.l)		 2 χ 2-Schalter
(Fig.H) 		H χ 1I-Schalter
(Fig.6)
Einfügungs-
dämpfung		 1,2 dB 1,5 dB 0,3 bis 1,3 dB
übersprechen <-55 dB <-55 dB <-55 dB
Umsehaltdauer 9 msec 9 msec 26 msec
25
Es wurden folgende Materialien und physikalische Abmessungen der in den Schaltern verwendeten Komponenten berücksichtigt: Gradienten-Stablinsen für die Linsen 5 bis 12 (5|6,9 und 10) des 4 χ 1I-UmS ehalte rs (des 2 χ 2-Umschalters der Fig. 1 und 1I) mit jeweils 8 mm (2 mm) Länge und 2 mm (1,8 mm) Durchmesser; für die Fasern 1 bis 1I und 1' bis 1I' wurden Gradientenfasern mit 60 um Kerndurchmesser und 0,21 numerischer Apertur verwendet; als nicht dargestellte Lichtquelle wurde eine lichtemittierende Diode mit 0,85 um Wellenlänge eingesetzt; die Treiberspannung und der Treiberstrom der Elektromagneten 21
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Γ · Π
1 und 22 betrug 18 V (12 V) bzw. 88 mA (60 mA); der Brechungsindex der dielektrischen Bauteile 13A bis 13F betrug 1,52; der Abstand zwischen der Lichteintritts fläche und der Lichtaustrittsfläche betrug 6 mm. Die in Klammern gesetzten Abmes-
5 sungen beziehen sich auf die 2 χ 2-Umschalter gemäß den Fig. 1 bis 4.
In der obigen Tabelle ist die Umschaltdauer der Zeitraum vom Einsetzen des Treiberstroms bis die Intensität des Licht-10 Strahls von 100 % auf 10 % abgeschwächt ist oder der Zeitraum für die Zunahme der Lichtintensität von 0 bis 90 55.
Der erfindungsgemäße mechanische, optische Umschalter ist somit einfach aufgebaut und weist eine geringe Einfügungs-15 dämpfung auf.
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- 12 Tabelle I
Schalt
zustand		 Anschluß CVl 3' 4' Position
teile		 13B der dielektrischen Bau- 13E 13F
5 2 3 4 0 0 0
I1 2 4 3 13A 1 13C 13D 0 0
A 1 3 2 4 0 O O 0 0 0
10 B 1 3 4 2 0 1 0 0 0 0
C 1 4 2 3 O 0 1 0 1 0
D 1 4 3 2 0 0 1 0 1 1
E ' 1 1 3 4 0 O 1 0 O 0
Ib P 1 1 4 3 O O 1 0 1 0
G 2 3 1 4 1 0 O O 0 0
H 2 3 4 1 1 1 0 O 0 0
?n I 2 4 1 3 O 0 1 1 1 O
J 2 4 3 1 0 1 1 1 1 0
K 2 1 2 4 0 0 1 1 0 0
L 2 1 4 2 0 1 1 1 0 0
25 M 3 2 1 4 1 0 1 0 0 0
N 3 2 4 1 1 1 1 0 0 0
O 3 4 1 2 1 0 1 1 1 1
P 3 4 2 1 1 1 1 1 1 1
30 Q 3 1 2 3 0 O 1 1 1 0
R 3 1 3 2 0 1 1 1 1 0
S 4 2 1 3 1 0 1 0 1 0
35 T 4 2 3 1 1 1 1 0 1 0
U 4 3 1 2 1 0 1 1 1 1
f V 4 3 2 1 1 1 1 1 1 1
W 4 1 1 1
X 4 1 1 1
Q30036/0599
-Al-
Leerseite

Claims (1)

  1. 8. Februar I980 u.Z.: P 492 (He/ko)
    Case: P-18O7
    NIPPON TELEGRAPH & TELEPHONE PUBLIC CORPORATION NIPPON ELECTRIC CO., LTD.
    Tokyo, Japan
    11 Mechanischer, optischer Umschalter " 15
    Priorität: 8. Februar 1979, Japan, Nr. 13569/79
    Patentansprüche
    1, Mechanischer, optischer Umschalter, gekennzeichnet durch
    a) eine erste und eine zweite optische Faser (1 bzw. 2) am Eingang,
    b) eine Eingangslinsenanordnung mit einer ersten und einer zweiten Linse (5 bzw. 6) zum Kollimieren der aus der ersten und der zweiten optischen Faser (1 bzw. 2) austretenden Lichtstrahlen zu parallelen Lichtstrahlen,
    c) eine Schaltvorrichtung (13) zum Umschalten optischer Wege mit homogenem Brechungsindex, die hinter der Eingar.jslinsenanordnung (5,6) angeordnet ist, um die optischen Wege der durch die Eingangslinsenanordnung (5,6) hindurchgetretenen, parallel gerichteten Lichtstrahlen umzuschalten, d) eine Ausgangslinsenanordnung mit einer dritten und einer vierten Linse (9 bzw. 10) hinter der Schaltvorrichtung
    030036/0599
    L J
    (13), um die aus der Umschaltvorrichtung (13) austretenden, parallel gerichteten Lichtstrahlen zu fokussieren,
    e) am Ausgang angeordnete dritte und vierte optische Fasern (I1 bzw. 2f), denen die Lichtstrahlen von der Ausgangslinsenanordnung (9,10) zugeführt werden, und
    f) eine Einrichtung (14) zum Einbringen der Umschaltvorrichtung (13) in eine vorgegebene Stellung oder zum Herausnehmen der Umschaltvorrichtung (13) aus der vorgegebenen Stellung.
    2, Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsehaltvorrichtung (13) zwischen der Eingangs- und der Ausgangslinsenanordnung (5,6 bzw. 9,10) angeordnet ist.
    3. Umschalter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch
    a) Passungen (25 bis 28) mit den ersten bis vierten optischen Fasern (1,2,1·,2·),
    b) einen zwischen der ersten und der zweiten Linse (5 bzw. 6) angeordneten ersten Reflektor (29) zum Reflektieren der von der ersten oder zweiten Linse (5 bzw. 6) herrührenden Lichtstrahlen und durch
    c) einen zwischen der dritten und der vierten Linse (9 bzw. 10) angeordneten zweiten Reflektor (30) zum Reflektieren der von dem ersten Reflektor (29) herrührenden Lichtstrahlen auf die dritte bzw. vierte Linse (9 bzw. 10).
    4. Umschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (13) zwischen dem ersten und dem
    zweiten Reflektor (29 bzw. 30) angeordnet ist. 30
    5. Umschalter, gekennzeichnet durch
    a) erste bis vierte optische Fasern (1 bis 1O am Eingang,
    b) eine Eingangslinsenanordnung mit ersten bis vierten Linsen (5 bis 8) zum Kollimieren der aus den ersten bis vier-
    ten optischen Fasern (1 bis 4) austretenden Lichtstrahlen
    zu parallel gerichteten Lichtstrahlen, L 030036/0599 _,
    Γ Π
    c) sechs durchsichtige, nacheinander hinter der Eingangslinsenanordnung (5 bis 8) angeordnete, dielektrische Bauteile (13A bis 13F) mit Jeweils homogenem Brechungsindex, um die optischen Wege der durch die Eingangslinsenanordnung (5 bis 8) hindurchtretenden, parallel gerichteten Lichtstrahlen selektiv umzuschalten,
    d) eine Ausgangslinsenanordnung mit fünften bis achten Linsen (9 bis 12) zum Fokussieren dar durch die dielektrischen Bauteile (13A bis 13F) hindurchtretenden, parallel gerichteten Lichtstrahlen,
    e) fünfte bis achte Fasern (lf bis 4') am Ausgang zum wahlweisen Empfang einer der Lichtstrahlen, die aus der Ausgangslinsenanordnung (9 bis 12) austreten, und durch
    f) eine Einrichtung (14A bis 14F) zum wahlweisen Einführen jedes dielektrischen Bauteils (13A bis 13F) in vorgegebene Stellungen und sum Herausziehen aus diesen Stellungen.
    L 030036/0599
DE3004714A 1979-02-08 1980-02-08 Mechanischer, optischer Umschalter Expired DE3004714C2 (de)

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JP1356979A JPS55105210A (en) 1979-02-08 1979-02-08 Photo switch element

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DE3004714A1 true DE3004714A1 (de) 1980-09-04
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DE3004714A Expired DE3004714C2 (de) 1979-02-08 1980-02-08 Mechanischer, optischer Umschalter

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