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Das bisherige Wissen über die Entwicklung der Laser-Dioden

In dem deutschen Buch von Professor Fischer steht eine Menge über die physikalischen Probleme und Wissenslücken bei der Entwicklung der Halbleiter Laser-Diode ab 1970. Die ersten überhaupt funktionierenden Halbleiter-Laser mussten zum Beispiel mit flüssigem Helium oder flüssigem Wasserstoff auf -160° gekühlt werden. In diesem japanischen Buch von Professor Hiroshi Shimizu aus 2019 (in Englisch) steht etwas mehr über die damaligen Anstrengungen der japanischen Ingenieure und Labors, diese Laser-Diode bei normalen Zimmertemperaturen zum "ewigen" (Dauer-) Leuchten zu bewegen.

Auch die Entwicklung der Zusammenarbeit von Philips und SONY musste doch irgend einen besonderen Grund haben. In den "Philips Kontakten" ist nur die werbewirksame Philips- Version der CD-Geschichte ab 1979 enthalten. Hier ist es anschaulich und informativ erklärt, wie es dazu kam.

Wir entnehmen ein paar ganz wenige Seiten ab Seite 143

Kapitel 2 - Wettbewerb zur Entwicklung einer Laserdiode für die Compact Disc.

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2.1 Entwicklung des Sharp VSIS Lasers

VSIS steht für "V-channeled Substrate Inner Stripe". - Die japanische Firma Sharp war seit 1964 mit der Forschung und Entwicklung von Laser-Dioden beschäftigt und die Ingenieure versuchten, eine GaAs-Laserdiode zu entwickeln.
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  • Anmerkung : Das Anfangs-Datum stimmt nur teilweise, weil der Laser (mit dem gasförmigen Resonator in der Vakuum-Röhre) erst 1960 erfunden wurde. Und der Halbleiter-Laser - die uns interessierende Laser-Diode mit dem Halbleiter-Kristall als Resonator - kam erst deutlich nach 1970.

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Sharp entwickelte jedoch keine Laser-Diode für die optische Kommunikation wie Sony (das waren im Gigahertz Bereich gepulste Laser-Dioden), so dass sie im Vergleich zu NEC, Hitachi und Mitsubishi in Bezug auf Forschung und Entwicklung von solchen (Glasfaser-) Laserdioden zu spät kamen.
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  • Anmerkung : Die spezielle Laser-Diode für die globalen Glasfaserstrecken wird in dem besagten Buch viel weiter vorne beschrieben.

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Sharps erste Forschungsabteilung des zentralen Forschungslabors entwickelte zusammengesetzte halbleitende Materialien und lichtemittierende Halbleiter. Es waren aber nur wenige Mitarbeiter (etwa sieben) an der späteren CD-Technologie beteiligt, was im Vergleich zu ihren Konkurrenten in den anderen Labors eine geringe Anzahl war.
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  • Anmerkung : Das stimmt auch nur unabhängig vom genannten Datum, weil die Idee der digitalen Schallplatte (der späteren CD) von Philips erst ab Mitte 1979 publiziert wurde.

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Es ging anfänglich um Laser-Dioden für Glasfaser-Leitungen

Wie oben erwähnt, konkurrierte jedes (der genannten) Unternehmen um die Entwicklung eines proprietären Lasers, um eine kohärente dedizierte Wellenlänge zum Strahlen zu bringen und dabei auch eine lange Lebensdauer zu erreichen.

  • Anmerkung : Die ersten ganz extrem auf -160 Grad gekühlten Laser-Dioden lebten nur wenige Stunden lang, dann war das Halbleiter-Element - der eigentliche Kern der Diode - trotzdem überhitzt und die Diode emittierte keine Photonen mehr.


Während verschiedene Laser-Dioden Konzepte von großen Elektronikunternehmen wie der CSP-Laser von Hitachi und der TJS-Laser von Mitsubishi angekündigt wurden, kündigte Sharp etwa ein Jahr später ein Laser-Dioden Konzept mit dem Namen VSIS (V-channeled Substrate Inner Stripe) an.

Wie oben erwähnt, wurden von Hitachi und Mitsubishi nach und nach Single-Mode Wellenlängen und eine lange (das ist aber eine relative Aussage) Lebensdauer erreicht.

Wie auch immer, diese Laser hatten jedoch "instabile Laser-Spots" und Probleme mit der kohärenten optischen Lichtleistung.
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Daher entwickelte Sharp im Labor - hauptsächlich von Toshiro Hayakawa und Saburo Yamamoto - eine Laser-Diode mit einem inneren "Streifen" (Anmerkung : dem Resonator-Kristall), der die selbstregelnde Strom- und Lichtverteilung auf einer V-förmigen Rille ihres proprietären GaAs-basierten Substrats vom P-Typ unterstützt. Diese Laser-Diode wird als VSIS-Laser bezeichnet (Abb. 8.1).
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Philips suchte 1979 einen Lieferanten mit Laser KnowHow

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  • Anmerkung : Hier kommt zum ersten Mal die holländische Firma Philips ins Gespräch :

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Eine erfolgreiche Forschung und Entwicklung garantierten aber nicht unbedingt eine reibungslose Massenproduktion. Ein solches Beispiel war das Takatsuki-Werk der Matsushita Electronics Industry.

Der technologische Direktor von Philips (den Namen finden wir noch raus) besuchte 1979 die Firma Matsushita Electronics und diskutierte dort über deren 760nm Laser-Diode, die von Itos und Teramotos Forschungsteam angekündigt wurde.

Es wurde erzählt / überliefert, dass Philips während der Diskussion nach dem optimalen Wellenlängen- Bereich des Lasers fragte, der es ermöglichen würde, ihn als CD-Laserdiode in Massenproduktion herzustellen.
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  • Anmerkung : Das waren uns bislang unbekannte Kontakt-Gespräche von Philips mit japanischen Firmen zum Jahresende 1979, die ganz offensichtlich bei der Vorstellung des ersten CD-Laufwerk- Prototyps in Eindhoven auch eine Prototyp- Laser-Diode im Einsatz hatten und trotz eigener Halbleiterfertigung bei Valvo die Problematik der Massenfertigung dieses extrem seniblen Teils erkannt hatten.

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Die Festlegung auf eine Wellenlänge von 780nm

Das Forscher-Team von Teramoto antwortete, dass eine Massenproduktion bei 780nm möglich ist.

Die Forscher waren jedoch nicht davon überzeugt, dass diese Wellenlänge zur Massenproduktion geeignet war. Aber auch ohne diese Bestätigung wurde die Wellenlänge für eine zukünftige CD-Laserdiode (vorerst) auf 780nm festgelegt und Matsushita Electronics erhielt daraufhin von Philips einen großen bedeutenden Auftrag für solch eine CD-taugliche Laser-Diode.

  • Anmerkung : Die Problematik dieser frühen Laser-Dioden war, daß sie nur kurze Zeit die gewünschte oder erforderliche Lichtleistung brachten und dann zu schnell heiß wurden. Bei der geplanten digitalen Platte mußte solch eine Laser-Diode aber 60 Minuten am Stück mit der notwendigen Lichtleistung ununterbrochen strahlen bzw. Licht senden. Man nannte das Dauestrichleistung, ein Begriff aus der Kurzwellen- Amateur Sendetechnik.

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Um diesen Auftrag auszuführen, richtete Matsushita Electronics 1981 eine Massenproduktions- anlage für Laserdioden mit dem Namen "Takatsuki Plant" ein.

  • Anmerkung : Das Datum (Fabrikation ab 1981) wiederum kann nicht stimmen, denn Phlips hatte den Kontakt zu SONY und deren Entwicklern breits in 1980 geknüpft, weil die Matsushita Laser-Dioden nicht das gehalten hatten, das die Entwickler versprochen hatten. In den Philips Kontake Ausgaben wird das Jahr 1980 als Beginn der Philips/SONY Gemeinschafts-Vermarktung der CD-Patente genannt. In den ganzen Philips Ausgaben steht nichts von den frühen erfolglosen Versuchen mit den Matsushita Laser-Dioden.

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Ein Riesen-Auftrag - aber es hatte nicht funktioniert

Das Matsushita Werk erhielt auch Bestellungen von Prototypen für die Massenproduktion von Olympus. Es stellte sich jedoch heraus, dass die in dieser Anlage hergestellten Laser-Dioden Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit hatten.

Infolgedessen stornierte Philips seine Bestellung für Laserdioden von Matsushita Electronics.

  • Anmerkung : Aus dieser Aussage entnehmen wir, daß Philips sich des zunehmenden Zeitdrucks sehr bewußt war. Die "anderen" waren ja auch am Entwickeln einer solchen Audio-Disc - aber mit 30cm Durchmesser.  Die Idee von Philips war ja nur eine 11cm Scheibe. Aus den "Philips Kontakte" Heften entnehmen wir, daß das Philips Marketing von Anfang an daran gearbeitet hatte, einen neuen "perfekten" Weltstandard zu setzen.


Die "Matsushita Audio Division", ein firmeninterner Benutzer (oder eher ein Entwickler?) der Laserdiode, (ein hausinterner "Kunde"  bzw. eine Abteilung in diesem Riesenunternehmen), stornierte ebenfalls ihre Bestellungen bei der Matsushita Electronics, ihrem ersten (bevorzugten) Anbieter. Dies wirft ein Bild auf die Schwierigkeiten der Massenproduktion von GaAs-Substrat-Lasern.
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  • Anmerkung : Sie finden in dem japanischen Buch natürlich kein Wort über die "kulturelle Explosion" des Gesichtsverlustes eines japanischen Managers oder Entwicklungsleiters, wenn alle Aufträge seines neuen Werkes storniert werden. Vielfach führte so etwas auch zum Suizid des Verantwortlichen.

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Zurück zu der Sharp Entwicklung des VSIS-Lasers

Im Vergleich zu herkömmlichen Laserdioden ermöglichte der VSIS-Laser jedoch einen einfachen Produktionsprozess. (Diese Technik erfordert weder eine Maskenausrichtung noch einen Diffusionsprozess bei der Elementbildung und kann nur mit der Elektrodenbildung abgeschlossen werden.)

Sharp schlug die Idee vor, den Prozess für die zukünftige Massenproduktion zu verkürzen, aber dieser neue Herstellungsprozess war auch bereits in der Forschungsphase ein Wagnis (oder Abenteuer).

Während der mehrfachen Prototyping-Phasen (oder Schritte) konnten sie bei Sharp als Ergebnis die Eigenschaften und Prozeduren des Prototyp-Lasers hinsichtlich des täglichen (künstlichen) Wachstums der gezüchteten Kristalle herausfinden. Daher konnten sie die Ergebnisse bzw. die Rückmeldungen aus den  Prototyp-Versuchen relativ schnell für ihre nächsten Kristall-Wachstumsversuche einsetzen.
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SONY bekam von SHARP eine erste Muster-Laser-Diode

Nachdem die erste funktionierende (also für einen CD-Spieler brauchbare) Laser-Diode nahezu fertig entwickelt bzw. vollständig entwickelt war, stellte Sharp dem Kunden Sony ein Muster zur Verfügung.

Zu dieser Zeit (es muß 1980/1981 gewesen sein) gingen die meisten (Laser-Dioden-) Entwickler direkt zu Sony, das die DAD-Szene (Digital- Analog - Digital) mit dem CD-System anführte, um ihre Produkte zu verkaufen.

  • Anmerkung : SONY hatte bereits 1976 einen digitalen PCM- A/D und D/A Wandler für die hauseigenen U-matic Videorecorder entwickelt, um Audiosignale verlustfrei auf Video-Kassetten speichern zu können.


In der von Sony durchgeführten Bewertung war der VSIS-Laser von Sharp aufgrund der Produkteigenschaften und seines Potentials für die Massenproduktion der beste (höchstwertige) unter den von den Anbietern (Wettbewerbern) bereitgestellten Dioden.

  • Anmerkung : Es wird hier in dem Artikel nicht besonders hervorgehoben, aber die Produktions-Ausbeute pro Stunde oder pro Tag war für die Massenproduktion von Laser-Dioden und natürlich von den davon abhängigen CD-Playern essentiell wichtig. Auch die Qualitätstreuungen bezüglich der Lichtleistung war ein wichtiges Kriterium.
  • Bei den analogen Platten war die Pressen-Geschwindgkeit bei einer Vinyl-LP - allermeist eine Platte pro Minute - schon eine arge Bremse für die lukrative Massenproduktion.

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Mehr als eine Million Stück pro Jahr gingen an Sony

Dieser VSIS-Laser von Sharp wurde in den 1982 von Sony produzierten CD-Player (das war der CDP 101 ES) übernommen. Danach lieferte Sharp an Sony mehr als eine Million Stück pro Jahr. Und zu dieser Zeit wurden diese Laserdioden von der "SHARP Display Division" hergestellt und verwaltet, deren Spezialität eigentlich Flüssigkristalle waren.

Es wird überliefert, dass die Sharp Division bei der Massenproduktion "einige" (im Klartext : eine Menge) Schwierigkeiten zu lösen hatte.

Während der Massenproduktion bei Sharp kam es aufgrund unbekannter Ursachen (oder nicht publizierter Gründe) zu einer erheblichen Reduktion der Lichtleistung der Dioden und damit zur Verringerung der Ausbeute.

Diese Probleme wurden schließlich durch die Bemühungen der "SHARP Display Division" gelöst, und als im Oktober 1982 alle CD-Player von jeder (japanischen Hersteller-) Firma gleichzeitig zum Verkauf freigegeben wurden, hatten die meisten (japanischen) CD-Player VSIS-Laser von Sharp installiert.

Mit dem VSIS Typ erreichte (aquirierte) Sharp bis 1985 rund 75% des Marktanteils von Laser-Dioden für CD-Player.
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2.2 Entwicklung des EBH- und TAPS-Lasers von Sony

Um die CD weltweit bis Mitte/Ende 1982 als Defacto-Standard zu vermarkten, wollte Sony diese dominierende Entwicklung in der CD-Branche etablieren und gleichzeitig CD-Player mit eigener Technologie entwickeln.

Jedoch wurde Sharps VSIS Laser-Diode in die ersten von Sony verkauften CD-Player übernommen. Diese SONY Player wurden bereits Mitte 1982 in Japan angeboten.
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Laser-Dioden von Hitachi, Mitsubishi Electric, NEC und anderen

Wie hat Sony Laser-Dioden für CD-Player entwickelt - im Vergleich zu Hitachi, Mitsubishi Electric, NEC und anderen ?

Sony begann seine Forschung und Entwicklung im Bereich Laser-Dioden bereits in der Phase der sogenannten Verbraucher- Anwendungstechnologie (also Endkunden orientiert) und kann daher als Nachzügler in der Laser-Dioden Forschung bezeichnet werden.

Sony hatte jedoch seit der Einrichtung seines zentralen Forschungslabors im Jahr 1960 die Technik der Verbundhalbleiter untersucht, und, wie sich heraussstellte, eine der wichtigsten technologischen Grundlagen für das Laser-Dioden- Material (den Resonator).

Im Sony-Labor wurden Untersuchungen zu Zinkselenid (ZnSe) und Zinktellurid (ZnTe) sowie weitere Forschungsarbeiten an Tunneldioden mit GaAs durchgeführt.

Von dort aus führten sie 1962 zusätzliche Tests für den "continuous wave" Betrieb (wir nennen das den Dauerstrich-Betrieb) in den USA durch und betrieben die erste GaAs-Laserdiode bereits 1963 erfolgreich - aber mit exrem großem Aufwand bei der tiefsten Kühlmittel-Temperatur von flüssigem Stickstoff.

  • Anmerkung : In den anderen historischen Betrachtungen kommt der Name SONY bei der Laser-Dioden- Entwicklung aber nicht vor, auch nicht in USA.


Kurz danach (wirklich ab 1963 ?? sehr unwarscheinlich) begann Sony mit der Forschung zur Entwicklung von GaAs-Laserdioden. Es war jedoch schwierig, einen Dauerstrichbetrieb der Laserdiode bei Raumtemperatur zu erreichen, und als Hitachi und Mitsubishi Electric sich vorübergehend aus der Forschung an Laserdioden zurückzogen, änderte Sony auch seine Forschungsziele von Laserdioden zu LEDs.

Die SONY- Philips Koperation - war das 1979?

Eine Entscheidung des SONY Top-Managements veränderte jedoch die Forschung und Entwicklung von Laserdioden bei Sony. 1979 begann Sony mit Philips eine gemeinsame Entwicklung - die Audio Laser-Disc, später als CD bekannt.

  • Anmerkung : Der Satz ist unglücklich, weil Philips ja bereits eine funktionierende 11cm CD im Betrieb vorführen konnte. In fast allen Meldungen wird wenig auf die ernsthaften Gründe einer Kooperation zweier so großer Elektronik-Riesen reflektiert. Doch bei Philips hatten sie anscheindend gemerkt, da fehlte ein Tüpfelchen Wissen hier und ein Eckchen dort. Die ausgefeilte Fehlerkorrektur beim Speichern von digitalen Daten hatte bislang nur SONY bei den PCM-Videobandmaschienen erprobt und vorrätig. Auch die Produktion von CD-Playern in Massen, das konnte nur noch ein großer in Japan. Dazu kam der Einfluß SONYs (insbesondere Akio Moritas Einfluß) auf die japanische Normungsbehörde, das war von Europa aus nicht zu machen.
  • Außerdem hatten die Japaner untereinander - auch die Wettbewerber wie Matsushita und PIONEER und KENWOOD und all die anderen - ganz andere Kommunikationswege, wenn es um gemeinsame Interessen ging. Soetwas konnte kein Europäer leisten, nicht mal im Ansatz.


Sie beschlossen bei SONY, Laserdioden als Lichtquelle für CDs zu verwenden, eine Entscheidung, die von den Top-Managern des Unternehmens (korrekt waren es beide Unternehmen) getroffen wurde.

SONY wollte auch eigene CD-Player bauen

Das Top-Management von Sony beschloss schon vor 1982, einen eigenen CD-Player auf den Markt zu bringen, und Sony beeilte sich, die (eigene) Laserdiode zu entwickeln, die für diesen Zweck das wichtigste Element in dieser Technologie darstellte.

  • Anmerkung : Da hier die relevanten Jahreszahlen der Entwicklungsschiene der CD zwischen 1979 und 1983 sehr eng beieinander liegen, betrachten wir manche genannte Jahreszahl besonders "tolerant". In den "Philips Kontakten" wird natürlich die Entwicklung der CD nur bei Philips betrachtet und der Partner SONY wird nur "am Rande" erwähnt. Es gibt dort kein Wort von den Philips- internen Schwierigkeiten oder negativen gescheiterten Versuchen bei Valvo, solche Laser-Dioden selbst herzustellen.

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Die benötigten Kristalle künstlich wachsen lassen

Sogar noch in der zweiten Hälfte der 1970er Jahre war die künstliche Methode des Kristallwachstums in jedem beteiligten Unternehmen LPE (liquid phase epitaxial). Aus diesem Grund begann Sony auch mit der Entwicklung von konkurrierenden Laser-Dioden unter Verwendung von LPE. In den frühen 1980er Jahren entwickelte Sony eine proprietäre Laserdiode namens IBH (Etched Buried Hetero) mit LPE.

Der EBH-Laser war vorteilhaft in seiner günstigen Kopplung mit hervorragenden optischen Systemen und geringem Stromverbrauch. Zu diesem Zeitpunkt war EBH jedoch unter den Gesichtspunkten der Reproduzierbarkeit der Eigenschaften, der Steuerbarkeit, der Produktivität, der Zuverlässigkeit und dergleichen nicht für die Massenproduktion geeignet.

Basierend auf der Faustregel, dass Probleme letztendlich durch die Weiterentwicklung von Forschung und Entwicklung gelöst werden, haben die Forscher von Sony den EBH-Laser weiter verbessert.
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Sogar der Elektronik-Riese SONY kam in zeitlichen Zugzwang

Sie hatten bei SONY jedoch Anfang 1982 keine Zeit mehr, mit den eigenen Laser-Dioden den ersten SONY CD-Player zu vermarkten. Die Abteilung musste so bald wie möglich mit dem Musterversand an die "Optical Disc Division" von Sony und dem Langzeit- Zuverlässigkeitstest innerhalb dieser ihrer Abteilung beginnen. Die Entwicklung war jedoch mit einer schwierigen Situation konfrontiert, da sich der Versand der Muster an die Entwicklungsabteilung für optische Datenträger verzögerte, da im Zuverlässigkeitstest ein nicht identifizierbarer Ausfall auftrat.

  • Amerkung : Also auch SONY Ingenieure hatten nur mit Wasser gekocht und ab und zu hatte es nicht "in time" - also zeitnah - geklappt. Bei uns in Deutschland war das zum Beispiel der Beginn des Deutschen Farbfernsehens im August 1967 - mit den großen Philips LDK3 Farbkameras, weil die deutschen Kameras von der "Fernseh" aus Darmstadt einfach nicht funktionieren "wollten".

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Auf den ausgewählten Seiten sind jede Menge an Verweisen und Refrenzen :
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Bis hierhin geht erst mal der Teil mit den Infos im Hintergrund

Wir wußten bislang nicht, daß Philips in eigenen Labors (vermutlich bei Valvo in Hamburg) bereits vor 1966 eigene Laser-Röhren und eigene Blitz-Röhren entwickelt und dann auch bei Valvo produziert hatte. Daher kam sicher die Intention mit dem Philips Laser-Bildplattenspieler von vor 1970.

Das wiederum steht in den 4 Funkschau Artikeln über diesen völlig neuen Festkörper-Laser von 1966.

Man muß also die Mosaik-Bausteine der Informationen über die Grundlagen der Laser-Entwicklung bis zur Laser-Diode so nach und nach zusammen sammeln.

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ab hier vorerst geparkte Literaturhinweise

seite 143
23 Regarding the R&D and commercialization of laser diodes by Sharp, see Yamamoto. S. (2009):
"Story of Laser Diode Development (Handotai Reza, Tanjyo Hiwa)". Sharp Technical Journal, 1999.
page 52-53.

24 Interview [12].

25 Regarding this case, see ITO. K. (2009): "Basics of Laser Diode" (Handotai Reza no Kiso Masuta).
Tokyo: Denkishoin, pp. 141-142.

Seite 145
27 Katayama. T. (2009): "Story of Laser Diode Development (Handotai Reza Kaihatsu Monogatari)", Sharp Technical Journal. 1999, 4-9. Yamamoto. S. (ibid. "Story of Laser Diode Development (Handotai Reza Tanjyo Hiwa)." 52-53.

28 (2009): "Story of Laser Diode Development (Handotai Reza Tanjyo Hiwa)." Sharp Technical Journal. 1999, 52-53.

29 In 1983, it was also adopted in the industry's first laserdisc player that used a laser diode (manufactured by Pioneer). (Der Player von Philips hatte ein laser-Rohr.)

30 "Short Wavelength Laser Diode - Sharp Takes the Lead in the CD Industry - Mitsubishi, Matsushita and Others Trail Behind (Coverage on Business Competition)" "Nikkei Sangyo Shimbun" April 2. 1985.

31 Element, which utilized quantum tunneling effect, invented by Leo Esaki in 1957. When a current flows in the forward direction, "negative resistance" appears in which the amount of current flowing in certain voltage region decreases as the voltage is applied due to the tunnel effect. Oscillator circuits and amplifiers using this technology exhibited excellent performance far superior to conventional transistors. In 1973, Esaki was awarded the Nobel Prize in Physics for his achievement, along with Ivar Giaever and Brian D. Josephson.

Seite 146

32
In the pursuit of their CD research, Sony established a joint team between the Central Research laboratory and the operations division within the Central Research Laboratory. This research method was the system used in developing the CCD, before the development of CD. In order to smoothly transfer the technology of Central Research Laboratory to Atsugi (operations division) that handled mass production, a research from the operations division went to the lab, learned the technology, and modified it from the viewpoint of the operations division. This was a system that assumed a smooth mass production by transferring the team itself to Atsugi's operations division during the mass production stage.

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