DE2633572A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbindung optischer fasern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verbindung optischer fasern

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DE2633572A1 DE19762633572 DE2633572A DE2633572A1 DE 2633572 A1 DE2633572 A1 DE 2633572A1 DE 19762633572 DE19762633572 DE 19762633572 DE 2633572 A DE2633572 A DE 2633572A DE 2633572 A1 DE2633572 A1 DE 2633572A1
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Description

Anmelderin: Corning Glass Works
Corning F.Y. U S A
Verfahren und Vorrichtung zur Verbindung optischer Pasern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbindung lichtübertragender optischer Pasern, insbesondere z.B. optischer Wellenleiterfasern.
Aus den US-PS 3,775,075 und 3,711,262 sind optische Wellenleiter mit sehr geringen Verlusten bekannt, die zur kilometerweiten Übertragung ohne Zwischenverstärker geeignet sind. Da die Faserlänge zwischen Verstärkerstationen oft langer als die ziehbare Faserlänge ist, entsteht die Notwendigkeit der Verbindung einzelner Paserlängen. Mitunter müssen auch gebrochene Pasern wieder miteinander verbunden werden. Dabei sollen möglichst geringe Verluste in der Lichtfortpflanzung entstehen.
Eine dauerhafte, unmittelbare Verbindung der Faser mit ihren Enden ist an sich günstiger als die Verbindung mit Kupplungselementen, weil diese aufwendig und massig sind, und überdies Verluste, insbesondere Fresnel'sehe Verluste verursachen.
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Es wurde "bereits versucht, die Faserenden mit Klebstoff, z.B. warm härtbarem, durchsichtigem Kunststoff miteinander zu verbinden. Die Fasern werden koachsial ausgerichtet, ein niedrig schmelzender Kunststoff auf die Stoßflächen der Faserenden ' gegeben und die Verbindungsstelle erhitzt, wobei der thermoplastische Kunststoff um die Faserenden fließt. Thermoplastische und chemisch härtbare Kunststoffe wurden auch bereits mit Hilfe einer Manschette aufgegeben. Hierbei werden die Faserenden in die Manschette eingefädelt und der Kunststoff durch eine Öffnung eingefüllt. Trotz aller Bemühung um eine möglichst genaue Anpassung der Brechung bestehen aber immer noch Unterschiede der Brechung des Klebstoffes einerseits und des Faserkernmaterials andererseits, was zu Reflexionsverlusten führt. Ungünstig ist auch die zur Ausrichtung und Verfestigung erforderliche Manschette wegen der Massigkeit des Aufbaus. Auch muß die Toleranz von Faser und Innenfläche der Manschette sehr klein sein, nämlich etwa 1 /um um die Fasern richtig auszurichten, was die Herstellung erschwert und verteuert. Ferner können an der Faserverbindungsstelle innerhalb der Manschette Blasen entstehen, was die Faser optisch wertlos macht. Wird nur Epoxy als Klebstoff verwendet, so ist die Verbindung zu schwach und die Fasern können bei quer zur Faserachse wirkendem Druck auseinandergeschoben werden.
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Es wurde daher versucht, die Fasern durch Anlegen eines Stromes an einen die ausgerichteten Fasern umgebenden Heizdraht miteinander zu verschmelzen. Der Heizdraht erhitzt aber größere Paserlangen, sodaß unter dem Einfluß der Schwerkraft die Fasern durchsacken können und die Ausrichtung verloren geht, falls sie nicht senkrecht gehalten werden. Diese, mechanisch einwandfreien Verbindungen mit niedrigen Verlustwerten von etwa 0,5 dB sind aber auf niedrig schmelzende G-läser mit Erweichungstemperaturen von etwa 7000C beschränkt. Fasern mit hohem Kieselsäuregehalt, z.B. nach den oben genannten Patentschriften, erfordern aber Temperaturen Ms etwa 16000C. Ferner sind die Verluste bei Verbindung von Wellenleitern mit Einfachmodenfortpflanzung auch, der Wirkungsgrad beträgt nur etwa 70 % und die Wiedergabe ist schlecht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbindung von Faserlängen zu einer Faser größerer Länge zu schaffen, welches ohne massige Kupplungselemente die Fasern mit sehr geringen Verlusten koppelt, insbesondere, wenn .es sich um Fasern mit hohem SiOp Gehalt handelt.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in-der Form gelöst, daß die Fasern mit ihren Längsachsen parallel zueinander ausgerichteten und mit ihren Endstoßflächen aneinandergelegt werden, an der Verbindungsstelle ein Lichtbogen, mit einer zum Schmelzen der Faserendflachen ausreichenden Hitzeentwicklung erzeugt und senkrecht zu den Faseraehsen mit seinem
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Bogenzentrum entlang der Stoßstelle geführt wird und die Faserendflachen miteinander verschmilzt, sowie durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, wonach eine erste und zweite Faserhalterung für die Fasern in der mit den Faserlängsachsen parallelen und mit den Faserendstoßflachen aneinanderliegenden Lage für jede der zu verbindenden Faserenden vorgesehen ist, ein Paar Elektroden zur Erzeugung des Lichtbogens Faserendenstoßflächen angeordnet sind, und Mittel zur Bewegung der Elektroden in dieser Ebene, sowie Mittel für die Lichtbogenführung vorgesehen sind.
An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Die Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Figur 2 eine Abwandlung in Endansicht.
Die Figur 3 eine weitere Ausbildung mit einer Bogenführung.
Die Figur 4 eine weitere Ausbildung der Vorrichtung in perspektivischer Ansicht.
Die Figur 5 eine Teilansicht der Vorrichtung nach der Figur 4.
Die Figur 6 den Querschnitt eines Elektrodenträgers in der Vorrichtung der Erfindung.
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Die Figur 7 in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung der Erfindung.
Die Pasern 12 und 14 liegen in V-förmigen Rillen16, 18 in MikroStellvorrichtungen 20, 22. Die Rillen müssen so lang sein, daß die Fasern parallel zu den Rillen hervorstehen. Infolge der Steifigkeit der Fasern und des kleinen Abstandes zwischen den Stellvorrichtungen 20, 22 bleiben die hervorstehenden Faserenden im wesentlichen gerade. In einer Ausführung betrug der Abstand zwischen den Stellvorrichtungen nur 2,5 cm. Wie der doppelte Pfeil zeigt, ist die Stellvorrichtung so auf dem Sockel 24 beweglich, daß die Faser 12 mit der Faser 14 in Berührung gebracht werden kann. Die gekreuzten Pfeile auf der Stellvorrichtung 22 zeigen die Beweglichkeit in zwei Richtungen an, so daß bei parallelen Achsen die Fasern 14, 12 in jeder Richtung zueinander verschoben werden können. Durch Blattfedern 26, 28 werden die Fasern unter leichtem Druck in den Rillen gehalten. An der dien Fasern berührenden Seite können die Blattfedern mit einem das Verkratzen der Fasern verhindernden Überzug z.B. Kunststoff, Tuch oder dergleichen versehen,-,sein.
In einem U-förmigen Träger 38 aus isolierendem Material liegen die zugespitzten Elektroden 34, 36. Nachdem die Elektrodenspitzen in Lage gebracht sind, werden die Elektroden durch Schrauben 40, 42 in Lage gehalten und werden durch Leitungen 44, 46 an eine geeignete Spannungsquelle gelegt, vorzugsweise
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Gleichstrom, der einen stabileren Lichtbogen liefert, z.B. Gleichstromquelle 50, Figur 3» Der Träger 58 ist auf einem um die Welle 56 schwenkbaren Hebelarm 54- befestigt. Durch Bewegung des Arms in senkrechter Richtung kann die Höhe der Elektroden verändert werden, wodurch der mittlere Teil des Bogens die Faserstoßstelle bestreicht. Der Arm 54 kann aus biegsamem Federstahl bestehen, damit die Elektroden etwas parallel zu den Faseraehsen verschoben werden können.
Für die Herstellung einer guten Verbindung ist die Qualität der Faserendflachen besonders wichtig, sie müssen flach und sauber sein. Sie können durch Abschmirgeln, Belasten und Biegen vorbehandelt werden, vgl. Chinnok, "Optical Fiber End Preparation for Low-Loss Tape Splices", Bell System Technical Journal, Bd. 54-, S. 4-71 - 477. Bevor Herstellung der Verbindung muß ein etwaiger Überzug entfernt v/erden, z.B. können Kunststoffüberzüge durch Eintauchen in Azeton entfernt werden. Durch Halten der Faserenden in einem Abstand von etwa einer Faserdicke und rasches Hindurchführen eines elektrischen Bogens können Verunreinigungen weggebrannt werden. Der Bogen muß rasch geführt werden, damit die Endflächen nicht abgerundet werden.
Die Faserendflachen werden in der senkrechten Ebene, in welcher auch die Elektroden 34, 36 liegen, miteinander in Berührung gebracht. Dies kann in verschiedener Weise erfolgen. Beispielsweise
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können die fasern von Hand mit Hilfe eines Mikroskops, oder durch Fortpflanzung in einer Faser und Ausrichten b ei der Fasern "bis zur maximalen Lichtfortpflanzung in der anderen Faser, gegebenenfalls mit Hilfe eines Lichtintensitätsdetektors, ausgerichtet werden.
Sodann werden die Endflächen miteinander in Berührung gebracht und verschmolzen, d.h. die Endflächen werden geschmolzen und G-renzflachen frei miteinander verbunden. Fach einer bevorzugten Ausbildung werden die Fasern in zwei Stufen mit einem Bogen niedrigerer Energie und einem Bogen größerer Energie verbunden.
Dies letztere Verfahren sei am Beispiel von Fasern mit einem Gesamtkieselsäuregehalt von 60 - 80 % erläutert. Die durch den Elektrodenabstand und die angelegte Spannung bestimmte Mindesttemperatur des Bogens hängt von den Merkmalen des Faserglases ab. Ein Strom von 1OmA ist bei einem Elektrodenabstand von 1,6 mm ausreichend, um auch Fasern mit hohem Kieselsäuregehalt zu erweichen. Dieser Bogen niedriger Energie wird etwa 5-10 Sekunden an die Faserenden gelegt, und diese werden zusammengeführt. Für Fasern mit rechteckigen Endflächen senkrecht zu den Faserachsen sind 5 Sekunäen genügend. Die mittlere Wärme erweicht die Fasern und verbindet sie kalt, d.h. sie kleben zusammen, selbst wenn sie leicht auseinander gezogen werden sollten. Die optischen Kennwerte dieser Verbindung sind aber schlecht, weil die Faserendflächen nicht ganz geschmolzen wurden,
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Der Strom wird daher bei gleichem Elektrodenabstand bis auf 15 mA erhöht. Der heißere Bogen schmilzt das Glas an den Endflächen und bildet eineoptisch gute Verbindung.
Bei beiden Schritten wird der jeweilige Bogen vorzugsweise über die gesamte Faserstoßflächen hin- und zurück bewegt. Eine gesteuerte Bogenführung bewirkt eine allmähliche Erhitzung und gewährleistet eine ausreichende Erhitzung der gesamten Endfläche für eine vollständige Verschmelzung und vermeidet unerwünschte Abweichungen im Faserdurchmesser an der Stoßstelle. Hierzu kann z.B. der Hebelarm 54 kreisförmig bewegt werden, wodurch der Bogen entlang der einen Faser nach oben und sodann entlang der anderen Faser nach unten geführt wird.
Haben beide Fasern senkrecht zu den Faserachsen Endflächen guter Qualität, so können sie auch in einem Verfahrensschritt miteinander durch unmittelbares -Anlegen eines Bogens hoher T§mperatur und Verschmelzen der Endflächen verbunden werden. Auch hierbei können Verbindungen mit niedrigen Verlusten entstehen. Dennoch wird das zweistufige Verfahren bevorzugt, weil die Gefahr von Blaseneinschüssen geringer ist und selbst bei weniger guten Endflächen gute Verbindungen erzielt werden. Ferner ist die Gefahr einer schlechten Verbindung durch perlenförmiges Abziehen von Teilen der Endflächen durch Oberflächenspannung geringer, weil der Bogen höherer Energie auch dann die Endflächen
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vollkommen miteinander verschmilzt, nachdem sie durch den Bogen niedrigerer Energie erweicht und zusammengedrückt wurden. In einem Ausführungsbeispiel wurden mit dieser Vorrichtung Multimoden—Wellenleiterfasern mit gestuftem Brechungsindex mit einem 85/um dicken Kern und einem äußeren Durchmesser von 125/um hergestellt. Die Verluste schwankten "bei einer Meßgenauigkeit von 0,1 dB zwischen 0,0 dB und 2,5 dB. Die meisten Pasern hatten Verluste von nur 0,2 dB.
Entsprechende,-Einfachmodenfasern mit einem Kerndurchmesser von 7,3/um und einem äußeren Durchmesser von 250 /um wurden ebenfalls auf diese Weise hergestellt, wobei die durchschnittlichen Verluste 0,6 dB /betrugen.
Der Bogen kann mechanisch oder von Hand entlang der Faser oder um die Faserstoßstelle geführt werden. Wie in der figur 3 gezeigt, ist an dem Hebelarm 54 ein Stift 60 befestigt und reicht durch ein Loch in der durch den Motor 64 gedrehten Scheibe 62. Vorzugsweise wird der Bogen so geführt, } "daß sein Mittelpunkt einen Kreis mit einem gleichen Durchmesser wie der der Fasern beschreibt. Die Päserstßßstelle befindet sich daher nie außerhalb des BogenSj der an der Stoßstelle der lasern z.B. einen Kreis mit dem Durchmesser 10 mils beschreibt. Zur Erzielung einer nur hin- und hergehenden Bewegung kann auch ein vibrierender Motor oder ein Nocken verwendet werden«
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Wie die Figuren 4-7 zeigen, kann der elektrische Bogen entlang der Faserstoßstelle auch durch ein magnetisches Feld geführt werden. In der Figur 4 werden die Pasern 67 und 68 "von den in den Mikrostellvorrichtungen 71 und 72 angebrachten Haltern 69 und 70 getragen . In jeder MikroStellvorrichtung befindet sich an der Oberfläche eine Rille, in welcher mehrere zylinderförmige Permanentmagneten untergebracht sind, z.B. die Magneten 73 in der "Rille 80. Die Faser 67 wird in der zwischen den Magneten 73, 74, 77 befindlichen Öffnung abgestützt. Wie die Figur 5 zeigt, ist der Magnet 77 an einer Blattfeder 81 befestigt und kann zur Einführung der Faser aus der Rille 80 gehoben werden. Die übrigen Magneten sind an der Rillenoberfläche befestigt. Sobald die Faser in Berührung mit den Magneten 73. 74 gebracht wurde, wird die Blattfeder 81 gelöst und der Magnet 77 hält die Faser 67 fest. Wie die Figur 5 zeigt, können die Magneten mit einem das 7erkratzen der Faseroberfläche verhindernden Überzug 78, z.B. aus Kunststoff versehen sein . In entsprechender Weise wird die Faser 68 in den Halter 70 gelegt. Die Magneten müssen so lang sein, daß die Enden der Fasern parallel zu den Magnetachsen hervorstehen. Infolge der Steifigkeit der Fasern und des geringen Abstandes zwischen den Stellvorrichtungen 71, 72 bleiben die Faserenden gerade.
Wie der doppelte Pfeil zeigt, kann die Stellvorrichtung 72 auf dem Sockel 84 bewegt werden^ um die Fasern 67 9 68 aneinander zu legeno Die Stellvorrichtung kann entsprechend dem gekreuzten
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Pfeil in zwei Richtungen verstellt werden, wodurch die Achse der Easer 67 zu der Achse in Faser 68 parallel zueinander in jeder Richtung "bewegt werden kann.
Wie die Figuren 4 und 6 zeigen sind die Elektroden 86 und 87 in Öffnungen in den U-förmigen Trägern 88 ■befestigt. Der Sockel des Trägers 88 enthält einen Schlitz 89, in dem sich eine dünne, rechteckige Platte 90 befindet. Ein an dieser "befestigter Stift; 91 ragt aus einem Schlitz 92 in der Seite des Trägers 88. Die Endfläche der Faser 67 wird durch Anheben des Stifts 91 und Einschieben der Platte 90 zwischen die Elektroden 86, 87 genau eingestellt. Dann wird die Blattfeder 81 angehoben, die Faser 67 an die Platte 90 gelegt, und diese in den Schlitz 89 zurück-* fallen gelassen. Sodann wird die Blattfeder 82 gehoben, die Endfläche der Faser 68 in Berührung mit der der Faser 67 gebracht, die jetzt durch die Blattfeder 81 festgelegt ist.
Die Elektroden sind durch Leitungen 93, 94 mit einer geeigneten Spannungsquelle verbunden, damit die Elektroden 86, 87 einen Bogen erzeugen, welcher unter Einwirkung eines Magnetfeldes mit einer parallel zu den Achsenuder Faserenden verlaufenden Komponente entlang der Stoßstelle der Faserenden geführt wird.· Diese Bogenführung wird durch Elektroden mit flachen, in der Ebene der Faserstoßstellen liegenden axtförmigen Elektrodenenden erleichtert. Das Magnetfeld soll an der Faserstoßstelle eine parallel zu den Faserachsen wirkendesKomponente geeigneter,
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den Bogen entlang der Faserstoßstelle ablenkenden Größe erzeugen. Werden Permanentmagneten oder ein konstantes Magnetfeld erzeugende Elektromagneten verwendet, so werden die Elektroden 86, 87 entsprechend der Figur 6 an eine Wechselspannung gelegt.
In der Ausbildung der Figur 7 werden die Elektromagneten 96, durch eine Wechselstromspannungsquelle 98 betätigt. Der Elektromagnet ist unmittelbar über der Faser 68, der Elektromagnet unmittelbar unter dem Magnet 97 angeordnet. Die von diesen erzeugten Felder verstärken einander in der Nähe der Faserstoßstelle, wobei eine erhebliche Komponente parallel zu den Faserachsen wirkt. Da dieses Magnetfeld zeitlich veränderlich ist, werden die Elektroden 86, 87, mit einer Gleichstromspannungsquelle 99 verbunden. Der durch die Elektroden 86,87 erzeugte Bogen wird dann kontinuierlich abgelenkt und läuft über die Faserstoßstelle.
Hachdem die Fasern nach einer der erläuterten Methoden ausgerichtet wurden, werden die Endflächen in Kontakt gebracht und miteinander verschmolzen. Fach einer bevorzugten Ausgestaltung werden sie zweistufig behandelt, nämlich zunächst mit einem Bogen niedrigerer Energie und dann mit einem Bogen höherer Energie. Während der Herstellung sowohl der kalten Verbindung als auch während der Verschmelzung führt das Magnetfeld den heißen, mittleren Teil des jeweiligen Bogens über die gesamte
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Faserstoliflache vor und zurück. Dies bewirkt eine allmählichere Erhitzung und sichert zuletzt eine zur vollständigen Verschmelzung ausreichende Hitzeentwicklung. Da der Bogen in der Mitte heißer, und am Rand kühler ist, wird das G-las langsam bis auf die Höchsttemperatur erhitzt und dann langsam gekühlt, während der Bogen über die Endfläche wandert. Beim Erhitzen dehnen sich die Fasern achsial aus und erhalten beim Schmelzen des G-las es feste ganzflächige Verbindung.
Abweichungen liegen im Bereich des fachmännischen Könnens. So kann eine Elekrode zugespitzt sein, oder beide Elektroden sind spitz. In jedem Fall wird der Bogen wie erforderlich geführt. Eine besonders gute Führung entsteht bei der bevorzugten Ausgestaltung mit axtfö'rmigen Elektroden.
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Claims (15)

  1. Patentansprüche
    , 1y Verfahren zur Herstellung einer Verbindung optischer G-lasfasern miteinander, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern mit ihren Längsachsen parallel zueinander ausgerichteten und mit ihren Endstoßflächen aneinandergelegt werden, an der Verbindungsstelle ein Lichtbogen, mit einer zum Schmelzen der Paserendflachen ausreichenden Hitzeentwicklung erzeugt und senkrecht zu den Faserachsen mit seinem Bogenzentrum entlang der Stoßstelle geführt wird und die Faserendflachen miteinander verschmilzt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen durch ein elektrisches Feld erzeugt, und mit Hilfe eines Magnetfeldes entlang der Faserverbindungsstelle vor- und zurückgeführt wird, wobei eines der beiden Felder als Zeitfunktion veränderlich, das andere unveränderlich ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Lichtbogen niedrigerer, zum Anhaften der Faserenden ohne zu Verschmelzen ausreichender Energie, und sodann ein Lichtbogen größerer, zum Verschmelzen der Faserenden ausreichender Energie erzeugt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen niedrigerer Energie für eine Zeitdauer von 5 10 Sekunden aufrechterhalten wird.
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  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4»". dadurch gekennzeichnet, daß die faserenden während der Anwendung des Lichtbogens niedrigerer Energie .aneinandergedrückt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor
    dem Aneinanderlegen der Eontaktflächen diese mit einem zwischen den parallel zueinander ausgerichteten Fasern rasch hindurch geführten Lichtbogen gereinigt werden.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und zweite Faserhalterung für die Fasern in der mit den FaserlängSachsen parallelen und mit den Faserendstoßflächen aneinanderliegenden Lage für jede der zu verbindenden Faserenden, vorgesehen ist, ein Paar Elektroden zur Erzeugung des Lichtbogens Faserendenstoßflächen angeordnet sind, und-Mittel zur Bewegung der Elektroden in dieser Ebene, sowie Mittel für die Lichtbogenführung vorgesehen sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ." ferner Mittel zur Bewegung der Elektroden parallel zu den Faserlängsachsen vorgesehen sind.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserhalterungen jeweils drei zylindrische, aneinandergereite Permanentmagneten mit einer Öffnung für die Fasern enthalten,
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    . wobei die Fasern, aus der jeweiligen Öffnung hervorragen
    und in einer zwischen den Halterungen liegenden Ebene mit ihren Stoßendflächen aufeinandertreffen.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten mit einer das Verkratzen der Fasern -verbindenden Schutzschicht überzogen sind.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Magneten der beiden Halterungen für die Einführung der Faser in seine Öffnung beweglich ausgebildet ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Lichtbogenführung nahe der Faserendenstoßstelle
    ein Paar Elektromagneten vorgesehen sind.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden ein in der Ebene der Faserendenstoßflächen liegendes, abgeflachtes, axtförmiges Stück aufweisen.
  14. 14. Vorrichtung nach Ansprüchen 7 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden an eine Wechselstromcruelle angeschlossen sind.
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  15. 15. Vorrichtungnach.Ansprüchen 7 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden an eine Wechselstromq[uelle und die Elektromagneten an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die lasern in den Öffnungen haltende Federn vorgesehen sind.
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