DE2837261A1

DE2837261A1 - Verfahren zur herstellung optischer wellenleiter

Info

Publication number: DE2837261A1
Application number: DE19782837261
Authority: DE
Inventors: Ellen Kay Dominick; George Walter Scherer
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1977-08-26
Filing date: 1978-08-25
Publication date: 1979-03-01
Also published as: ATA621178A; NL7808821A; GB2003132A; AT377747B; NL188845B; FR2401108A1; DE2837261B2; CA1115508A; IT1098691B; IT7827046A0; JPS5443753A; US4204850A; GB2003132B; DE2837261C3; FR2401108B1; NL188845C; JPS6054893B2

Description

Anmelderin: Corning Glass Works

PATENTANWÄLTE

DR. ERNST STURM

DR. HORST REINHARD

DIPL.-ING. KARL-JÜRGEN KREUTZ

8000 Manchen 40, Leopoldsttaße 20/IV Telefon: (089) 39 64 51

Telegramm: Isafpatent Bank: Deutsche Bank AG München Konto-Nt. 21/14171 (BLZ 70070010) Postscheck: München 97 56-809

Datum 4. August 1978 Kr/h

Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter

Die Erfindung betrifft die Herstellung optischer Wellenleiter, insbesondere die Herstellung einer Vorform bzw. eines Rohlings, aus dem dann optische Wellenleiter hergestellt, insbesondere gezogen werden.

Die in optischen Nachrichtensystemen verwendeten Wellenleiter, sogenannte "optische Wellenleiter", bestehen aus einem transparenten dielektrischen Material wie Glas oder Kunststoff.

Aus der US-PS 3 775 075 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter bekannt, wonach auf einen

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rotierenden Glaszylinder ein Überzug aus Glas durch Niederschlag aus der Dampfphase aufgebracht wird.(Diese Reaktion

als
wird zwar gebräuchlich/"Flammhydrolyse" bezeichnet, sie ist aber in Wirklichkeit eher eine Oxydation als eine Hydrolyse.) Das so erhaltene Gebilde wird dann erhitzt und zu dem Welleuleiter in die Länge gezogen, wobei der Glaszylinder den innereu Kern und das auf diesem niedergeschlagene Material den Mantel oder die Außenhülle des Wellenleiters bilden. Der Glaszylinder, auf welchen das Hüllmaterial - wie erwähnt - niedergeschlagen wird, ist der eingangs erwähnte Rohling, auf dessen Herstellung sich vorliegende Erfindung bezieht.

Die US-PS 3 823 995 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung des Rohlings. Danach wird auf einen rotierenden Dorn Glas aus der Dampfphase unmittelbar bei der Oxydation niedergeschlagen. Nachdem der Glasrohling und damit das Material für den Mantel niedergeschlagen sind, wird der Dorn entfernt. Das Gebilde wird dann unter Erhitzen in die Länge gezogen. Bei diesem Ziehvorgang wird das Material - unter sehr erheblicher Längung - so verformt, daß der ursprüngliche Hohlraum, der zunächst von dem Dorn ausgefüllt war, beseitigt wird.

Der Rohling muß vorsichtig von dem Dorn abgezogen werden, weil Beschädigungen an seiner inneren Oberfläche zu Schlieren in dem Wellenleiter führen würden, diese wiederum führen leicht zu Brüchen. Unregelmäßigkeiten der inneren Wandung können auch zu Gasbläschen im Wellenleiter führen, also zu unbrauchbaren

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Wellenleitern, zu Ausschuß. Der Dorn, auf den das Glas aus der Dampfphase niedergeschlagen wird, wird durch ein Diamantwerkzeug herausgebohrt. Auch kann der Dorn durch Kernbohren eutfernt werden, indem man also nicht den gesamten Dorn ausbohrt, sondern nur einen Ringraum, der den größten Teil des Querschnitts des Dorns einschließt und auf diese Weise den Dorn von dem Rohling trennt. Auch kann der Dorn durch Fluorwasserstoff herausgeätzt werden. Die durch Bohren erhaltene rohe innere Oberfläche des Rohlings kann durch Bearbeitung mit Laser geglättet oder poliert werden. Mau kann unter Wärmeeinwirkung polieren und/oder die innere Wandung mit Fluorwasserstoffsäure auswaschen und damit glätten. Alle diese Operationen sind vor allem sehr zeitaufwendig.

In jüngster Zeit hat man zunächst eine Lage aus weicherem Glasmaterial auf dem Dorn niedergeschlagen und darauf die Vorform aus härterem Glasmaterial niedergeschlagen.

Diese Zwischenlage aus weicherem Glasmaterial erleichtert zwar das Entfernen des Dornes. Die weichere Zwischenlage wird nämlich abgeschert; es blättern Schuppen des gescherten weicheren Glasmaterials von der inneren Oberfläche des Rohlings ab. Auf diese Weise wird aber die innere Oberfläche des Rohlings beschädigt. Diese Beschädigungen und Ungleichmäßigkeiten bleiben auch nach dem Sintervorgang erhalten bzw. es verbleiben dann zumindest noch Schlieren. Zur Beseitigung dieser Beschädigungen und Schlieren wäre eine langdauernde Behandlung mit Fluor-

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wasserstoffsäure erforderlich. Ferner treten Beschädigungen auf, wenn die Vorform zu fest an dem Dorn haftet. Oft trennt sich die Vorform unter Abscheren von dem Dorn, nicht aber unter leichtem Loslösen.

Die US-PS 3 933 453 zeigt einen Dorn mit einem rohrförmigen Glied aus feuerfestem Metall. Die US-PS 3 806 570 zeigt einen Dorn aus gesintertem Kohlenstoff. Bei allen diesen verschiedenen Dornen treten jedoch Beschädigungen an der inneren Oberfläche des Rohlings auf.

Diese Beschädigungen sind besonders problematisch bei Wellenleitern mit einem Kern und einem Mantel mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Bei diesen Wellenleitern ist in radialer Richtung eine scharfe, also plötzliche Änderung der Materialzusammensetzung Mantel/Kern erforderlich.

Wegen der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten treten hohe innere Spannungeu auf. Bei diesen Wellenleitern sind innere Schlieren und dergleichen besonders schädlich. Jede innere Ungleichmäßigkeit führt dabei leicht zu Bruch.

Gemäß der Erfindung werden Unvollkommenheiten an der inneren Wandung des Rohlings eines optischen Wellenleiters weitgeheud dadurch vermieden, daß man auf dem Dorn einen Kohlenstoff-Überzug anbringt bzw. niederschlägt, bevor man darauf das Glasmaterial niederschlägt. Der Rohling kann dann ziemlich leicht, ganz ohne die erwähnten inneren Verletzungen

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von dem Dorn abgezogen werden. Die Trennung erfolgt durch Scherwirkung innerhalb der Kohlenstoffschicht, nicht aber durch Scheren an dem Glasmaterial selbst. Der Rohling hat also eine glatte unbeschädigte innere Oberfläche.

Es folgt dann die herkömmliche Wärmebehandlung des Glasrohlings Bei dieser Wärmebehandlung verbrennt der Kohlenstoff und wird also vollständig entfernt. Der Rohling hat dann eine glatte innere Oberfläche. Die bisherige langdauernde Behandlung mit Fluorwasserstoff entfällt. Bei der Wärmebehandlung zur Konsolidierung des Glasmaterials kann das ursprüngliche Längsloch des vom Dorn abgezogeneu Rohlings auch geschlossen, also beseitigt werden, was bisher nicht möglich war. Man erhält also einen Rohling ohne dieses Loch, also einen vollzylindrischea, nicht wie bisher einen hohlzylindrischen Rohling. Der Ziehvorgajig zum Herstellen des Wellenleiters kann dann mit größerer Geschwindigkeit ablaufen.

Gemäß der Erfindung werden also Vorformen bzw. Rohlinge für optische Wellenleiter geschaffen, die eine fehlerlose innere Oberfläche aufweisen.

Aus derartigen Rohlingen können dann Welleuleiter mit hoher numerischer Öffnung sowie Wellenleiter mit hoher Vorspannung hergestellt werden. Das bisher erforderliche Ausätzen der inneren Oberfläche entfällt. Auch können die Wellenleiter mit bedeutend höherer Geschwindigkeit gezogen werden.

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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend ein Äusführungsbeispiel anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch, wie eine Kohlenstaubschicht auf dem Dorn niedergeschlagen wird.

Fig. 2 zeigt schematisch, wie auf den so vorbehandelten Dorn, also auf dessen Kohlenstoffschicht, das Glasmaterial aus der Dampfphase niedergeschlagen wird.

Fig. 3 zeigt schematisch die Wärmebehandlung zur Konsolidierung der von dem Dorn abgenommenen Vorform, wobei der Kohlenstoffniederschlag durch Oxydation entfernt und das zentrale Loch geschlossen werden.

Fig. 4 zeigt schließlich schematisch, wie aus dem liohling der lieilenleiter gezogen wird.

Gemäß Fig. 1 wird ein im wesentlichen zylindrischer Dorn 10 in einer Acetylenflamme 11 gedreht, wodurch auf ihm ein Niederschlag 12 aus Ruß bzw. Kohlenstoff erzeugt wird. Der Dorn 10 mag zum Beispiel aus Korund bestehen, ca. 63 cm lang sein und sich im Durchmesser von 0,63 bis auf 0,57 cm verjüngen. Dem Brenner 13 wird nur Acetylen zugeführt, das an der äußeren Luft verbrennt, also ohne gesonderte Sauerstoffzufuhr. Der Dorn 10 ist in einer Drehvorrichtung befestigt und wird

gedreht und
in dieser/gleichzeitig längs der Flamme bewegt.

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Es hat sich gezeigt, daß die Dicke des C-Niederschlags nicht kritisch ist, 1 bis 2 Mills Dicke des Niederschlags genügen. (1 Mill = 1/1000 inch = 25,4/um)

Nachdem auf diese Weise der Dorn 10 mit einem C-Niederschlag versehen ist, werden darauf gemäß Fig. 2 Glasteilchen durch Flammenhydrolyse bzw. Niederschlag aus der Dampfphase beim Verbrennen von SiCl- niedergeschlagen. Man kann dabei gemäß der erwähnten US-PS 3 823 995 einen Wellenleiter mit in radialer Richtung sich stetig änderndem Brechungsindex herstellen. Man kann auch eineu Wellenleiter herstellen, der aus einem inneren Kern mit bestimmtem Brechungsindex und einem Mantel mit kleinerem Brechungsindex besteht. Jedenfalls wird auf dem Dorn 10 bei dessen Drehung in der Hydrolyseflamme ein anhaftender Niederschlag aus Glasteilchen aufgebaut, wobei der Dorn gleichzeitig in Längsrichtung gegenüber der Flamme 15 bewegt wird. Der Glasrohling 14 kann dann ohne Beschädigung von dem Dorn abgenommen werden. Die Trennung erfolgt dabei entweder an der Oberfläche zwischen Dorn und Kohlenstoffschicht, oder durch Abscheren innerhalb der Kohlenstoffschicht, das Glasmaterial wird aber nicht auf Scherung beansprucht. Der Glasrohling wird also geschont. Er zeigt eine glatte, fehlerfreie innere Oberfläche. Der Rohling wird dann wie üblich gesintert. Bei 800° C entweicht der Kohlenstoff völlig in Form von CO₃. Die normale Behandlungstemperatur ist allerdings rund 500 höher, also etwa 1300° C. Der Glasrohling zeigt dann eine fehlerfreie Oberfläche, die kaum einer Behandlung mit Fluorwasserstoff bedarf. Wenn jegliche Nachbehandlung durch Ätzung entfallen kann,

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so kann man die Wärmebehandlung so führen, daß der innere Hohlraum völlig geschlossen wird (Fig. 3). Die Ziehoperation zur Herstellung des Wellenleiters kann dann mit größerer Geschwindigkeit ablaufen (Fig. 4).

Das Verschließen des inneren Loches während der Konsolidierung (der Wärmebehandlung) erlaubt die Herstellung von Rohlingen mit hoher innerer Spannung (also einem plötzlichen Übergang in der Zusammensetzung bezüglich des Brechungsindexes), da durch diese Beseitigung des inneren Loches auch die hauptsächlichste Ursache für Brüche am Wellenleiter vermieden werden. Derartige Brüche werden meist durch Schlieren an der inneren Oberfläche

besonders

verursacht. Gemäß der Erfindung lassen sich/vorteilhaft Wellenleiter mit hoher numerischer Öffnung herstellen, die hochgradig dotiert sein müssen und bei denen demgemäß bei Temperaturänderungen größere Wärmespannungen auftreten; denn dank der glatten inneren Wandung, die man gemäß der Erfindung erhält, kann der Wellenleiter diese höheren Spannungen aushalten.

Wie erwähnt, wurde bisher die innere Wandung des Rohlings durch Ätzen geglättet; hierbei wurden rund 4 % (Gew.%) des Materials weggeätzt. Dieser Materialverlust ist dank der Erfindung vermieden.

Der Kohlenstoffüberzug auf den Dorn kann auch auf andere Weise als durch Berußen mit Acetylenflamme (Fig. l) erhalten werden. Z. B. kann der Dorn in eine Aufschlemmung von Kohlenstoffpulver

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taucht werden oder in geschmolzenes Wachs getaucht v/erden, welches dann durch Erhitzen verkohlt wird. Es muß dabei jedenfalls ein Überzug aus reinem Kohlenstoff erhalten werden, der anschließend durch Oxydation völlig entfernt wird und keine Ver unreinigungen hinterläßt.

Nachfolgend werden Äusführungsbeispxele der Erfindung angegeben Ausführungsbeispiel 1:

Es wurde eine Dispersion von Graphit in destilliertem Wasser mit 13 Gew.% Graphitanteil bereitet, und zwar aus einer wässrigen Graphitdispersion mit 33 Gew.?ö Graphitanteil, die unter dem Handelsnamen Aquadag E erhältlich ist, und Wasser. Die Dispersion wurde einige Stunden "gerollt", d. h. in einer Kugelmühle behandelt, und dann in ein Rohr aus Pyrex ^r (Glas) gegossen, weiches Rohr ungefähr 75 cm lang und 18 mm dick war. In diese Graphitdispersion wurde nun eiu Dorn aus Korund (A1_O_) von etwa 63 cm Länge und 0,63 bis 0,57 mm Dicke vorsichtig eingetaucht und wieder herausgezogen. Die anhaftende Graphitoberfläche wurde auf anhaftende Blasen, Lunkern und Einschlüsse und Unebenheiten untersucht, die gegebenenfalls beseitigt wurden, und während einiger Stunden bei Raumtemperatur an der Luft getrocknet.

Dieser Dorn wurde dann wie bisher in eine Drehvorrichtung ein-

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i..

- Vf-

If

gespannt und es wurde darauf in bekannter weise Glasmaterial aus der Ilydrolyseflamnie niedergeschlagen (wobei natürlich der ursprüngliche Niederschlag aus weichem Glasmaterial fortgelassen wurde). Und zwar wurde auf diese V/eise eine "parabolische" Vorform erhalten, also eine Vorform, deren Brechungsindex sich längs des iiadius nach einer Parabelfunktion ändert. Und zwar nahm der Ge0_o-Gehalt von innen nach außen ab von 15 bis 0 Gew.?o, während der B_o0„-Gc-halt von innen nach außen

dl O

zunahm von 2 bis 12 Gew.%.

Es wurde ein Ilydrolysebreiiner mit innerem und äußerem Sauerstoffschirm und inneren Breuneröffnungen für die anderen Gase verwendet. Der BCl_-Gehalt wurde entsprechend erhöht und der GeCl--Gc-halt vermindert.

Folgende Werte wurden eingestellt und eingehalten:

Äußerer Sauerstoffschirm Innerer Sauerstoffschirm Premix Gas Premix Oxygen By-pass O^

SiCl₄

BCl „
ο

GeCl,

4,0 1/min. 4,5 1/min. 6,0 1/min. 5,0 1/min. 0,5 1/min. 8,0 gm/min.

programmgem. zunehmend von 0,097 g/min, bis 1,17 g/min.

programmgem. abnehmend von 0,8 g/min, auf 0 g/min.

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Vorschubgeschwindigkeit des Dorns Drehzahl des Dorns Abstand Brenner - Dorn

/v 98 cm/min.

/v 300 Umdrehungen/min. 14 cm

Nach Abnahme von dem Dorn zeigte die Vorform eine ausgezeichnete innere Oberfläche, ohne Risse oder Blasen, sondern glatt und ungestört. Diese Vorform gKttviel leichter von dem Dorn als ohne den Kohlenstoffüberzug.

Schließlich wurde die Vorform konsolidiert bei 1320 C in Helim mit einer Vorschubgeschwindigkeit in dem Ofen von 2,54 mm/min. (0,1 inch/min.). Man ließ die Vorform dann abkühlen und untersuchte die innere Oberfläche. Es zeigte sich eine bedeutende Verbesserung derinneren Oberfläche. Die gewohn ten AnIe s sungen, Kratzer und Risse waren völlig vermieden.

Die konsolidierte Vorform wurde geätzt und dann ausgezogen zu Wellenleitern von 125 /um Durchmesser. Diese Wellenleiter zeigten folgende Eigenschaften:

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Probenummer	Dämpfungsfaktor	numerische Appertur	Bandbrexte
1	9,2 dB/km	0,146	850 Megahert
2	4,8	0,146	560
3	4,0	0,150	560
4	3,8	0,156	560
5	4,5	0,150	540
6	4,8	0,150	500
7	5,3	0,150	490
8	5,1	0,150	480
9	5,6	0,150	420

Diese Ergebnisse zeigen, daß die besagte Kohlenstoffschicht insbesondere den Dämpfungsfaktor nicht nachteilig beeinflußt,

Ausführungsbeispiel 2:

Ein Dorn aus Korund (Alumina) mit den angegebenen Maßen wurde wie folgt mit Kohlenstoff berußt: Der Dorn wurde in eine Drehvorrichtung eingespannt und mit 300 Umdrehungen pro Minute gedreht. Unter den drehenden Dorn wurde ein Acetyleribrenner angebracht, dessen Flamme in der Luft brannte, also ohne zusätzlichen Sauerstoff,und der entstehende Ruß wurde auf dem Dorn niedergeschlagen. Der Brenner wurde dabei längs des

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Dorns bewegt.

Auf den so mit einer Rußschicht versehenen Dorn wurde, wie im Beispiel 1 vorbeschrieben, das Glasmaterial aus der Hydrolyseflamme niedergeschlagen, die Vorform dann konsolidiert und schließlich zur Glasfaser ausgezogen. Die Glasfaser zeigte folgende Werte:

Probenummer	Dämp fung s f akt ο r	numerische Appertur	Bandbreite
1	.4,3 dB/km	0,136	890 Megahertz
2	5,2	0,129	*
3	5,7	0,139	770

* zu hoch, außerhalb des Messbereichs, bei oder nahe der theoretischen Grenze.

Es sind nur zwei Ausführungsbeispiele gezeigt worden, die Erfindung umfaßt jedoch eine Vielzahl weiterer Ausführungsvarianten.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

i.J Verfahren zur Herstellung einer Vorform für optische Wellenleiter, wobei auf einen im wesentlichen zylindrischen Dorn mit glatter Oberfläche Glaspartikel niedergeschlagen werden, worauf der Niederschlag von dem Dorn abgezogen und zur Bildung der Vorform durch Wärmebehandlung konsolidiert wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß vor dem Niederschlag der Glaspartikel eine Kohlenstoffschicht auf dem Dorn angebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kohlen st off schicht durch Berußen des Domes in einer an der Luft brennenden Acetylenflamme erhalteu wird, wobei

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ORIGINAL INSPECTED

ir

der Dorn gedreht und in seiner Längsrichtung gegenüber der Flamme verschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffschxcht durch Eintauchen des Domes in eine Kohlenstoff-Dispersion (bzw. kohlenstoffhaltige Disperison in Wasser und anschließendes Trocknen erhalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn leicht konisch ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dorn aus *il_o0„ verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abziehen vom Dorn an ucr Innenv.andung des die

anhaftender Kohlenstoff

Vorform bildenden Niederschlags/durch V«.-rbr£un3n bei entsprechender Temperatur entfernt wird.
7. Verfahren nach Anspruch G, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Konsolidierung das innere Loch der Vorform geschlossen wird.

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1-
8. Verfahren nach Anspruch G, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform zwecks Entfernung anhaftenden Kohlenstoffs und Konsolidierung durch einen Ofen mit Sauerstoffatmosphäre hindurchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaspartikel durch Flammenhydrolysc (OVPO) auf dem Dorn niedergeschlagen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Trägergasstrom vorbestimmte Bestandteile in Dampfform eingeführt werden und daß das Gas-Dampf-Gemisch in einer Flamme oxydiert wird und die dabei entstehende« Oxyde in Partikelform auf den Dorn niedergeschlagen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorform GeO₃ und B₃O₃ enthält.
12. Verfahren nach Ansprüchen 9 bis il, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil wenigstens eines der Bestandteile während des Niederschlages verändert wird, um eine Vorform (und schließlich einen Wellenleiter) mit längs des Kadius veränderlichem

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Brechungsindex zu erhalten.
13. Vorfahren nach 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß auf dem für den Kern der Glasfaser bestimmten Niederschlag ein \v^reiterer Niederschlag aus einer Hydrolyseflamme zur Bildung eines Mantels mit geringerem Brechungsindex aus mit ersterem Niederschlag verträglichem Glasmaterial niedergeschlagen wird.
14. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Anspx-üche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die konsolidierte Vorform auf Ziehtemperatur erhitzt und zum Wellenleiter ausgezogen wird.
15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

daß die vom Dorn abgezogene Vorform durch Wärmebehandlung konsolidiert wird, daß anhaftender Kohlenstoff aus dem Loch entfernt wird, daß sodann durch entsprechende Wärmebehandlung das Loch geschlossen wird, worauf die Vorform zu dem Wellenleiter ausgezogen wird.
16. Vorform bzw. Wellenleiter gemäß dem Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 15.

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