(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
末端処理した光ファイバを突き合わせ、その突き合わせた光ファイバを基板で把持して接続するメカニカルスプライスであって、前記基板の光ファイバ把持区間における中央部を光ファイバ突き合わせ部、両端を光ファイバ把持端とするメカニカルスプライスにおいて、
前記基板は、前記光ファイバ把持端より外側にオーバハング部を有する形状であり、
前記基板のオーバハング部に把持バネ力をかけ、前記光ファイバ突き合わせ部より前記光ファイバ把持端の光ファイバを強く把持するように前記基板を撓ませる把持バネを備えた
ことを特徴とするメカニカルスプライス。
【請求項２】
請求項１に記載のメカニカルスプライスにおいて、
前記基板は、前記光ファイバ把持区間の中央部で光ファイバの把持面に対して反対側に設けた溝と、前記光ファイバ把持端から軸方向外側の位置で光ファイバ側に設けた溝を有し、前記光ファイバ突き合わせ部より前記光ファイバ把持端の光ファイバを強く把持するように撓む形状である
ことを特徴とするメカニカルスプライス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを突き合わせ、これを基板で機械的に把持して接続するメカニカルスプライスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来のメカニカルスプライスの基本構成を示す。図において、メカニカルスプライスは、光ファイバ１の押さえ基板２およびＶ溝基板３（必要に応じて「把持基板２，３」という）と、両基板で光ファイバ１を把持する力を発生する把持バネ４と、両基板の中央部で光ファイバ１が突き合わされる部分に入れた屈折率整合剤５により構成されている。なお、光ファイバ１は、接続する際に末端処理して裸光ファイバ１−１と光ファイバ被覆部１−２に分けられる。また、屈折率整合剤５は、マッチングオイルまたはマッチングゲルなどと呼ばれているものが用いられる。
【０００３】
メカニカルスプライスによる光ファイバ１の接続手順の概要は次の通りである。まず、光ファイバ端部の被覆を除去し、光ファイバ表面に残留している光ファイバプライマリコートをエチルアルコールを含ませたレンズペーパー等を用いて拭き取った後に、裸部の光ファイバ長がある値になるように光ファイバを切断して裸光ファイバ１−１を形成する。接続する２本の光ファイバ１を端面同士が対向するようにメカニカルスプライスに挿入し、基板中央部で端面同士が軽く接触する程度の突き合わせ力で裸光ファイバ１−１を突き合わせ、Ｖ溝基板３によって軸合わせし、裸光ファイバ１−１の端面間に屈折率整合剤５を介在させた状態で、把持バネ４により把持基板２，３を介して裸光ファイバ１−１を把持して接続する。
【０００４】
なお、光ファイバ把持に関し、基板（表面）自体の弾性変形（バネ効果）を期待できる場合には、把持バネ４に代わり、バネ効果のない基板留め具を用いるメカニカルスプライスもある。また、「電子情報通信学会論文誌Ｃ−II、Vol.J79-C-II、No.11 、p.633 」などに見られるように、光ファイバ同士を軸合わせする機能を有するＶ溝基板３の代わりに、穴径が裸光ファイバ１−１の外径より少し大きいガラスキャピラリを用いて軸合わせする方法もある。
【０００５】
このようなメカニカルスプライスでは、接続部に外部から引っ張り力が作用したり、周囲温度変化に伴う基板伸縮により光ファイバに突き合わせ力または引っ張り力が作用すると、光ファイバが基板表面に対して滑る基本的な問題がある。この問題について、文献１（IEEE, Journal of Lightwave Technology, "Basic Design for Highly Stable Mechanical Optical Fiber Splice and its Development", Vol.17, No.11, pp.2297-2306, Nov. 1999 ）には、光ファイバをある区間で連続的に把持する場合、基板による光ファイバ把持部で滑りが発生する限界の光ファイバ軸力分布を計算した例が示されている。
【０００６】
図１０は、光ファイバ軸力分布計算例を示す。図１０(a) は、光ファイバ１に引っ張り力（１kgf)が外部から加えられた場合であり、図１０(b) は、接続部が低温環境下（−60℃）に置かれて把持基板２，３が収縮し、内部に（熱）応力が発生した場合を示す。それぞれ把持基板２，３に付けた矢印は、接続部に作用した力が基板と光ファイバとの間で伝搬する様子を示す。
【０００７】
光ファイバ１と把持基板２，３との間における力の伝搬は、剪断力（摩擦力）を介して行われる。剪断力は、光ファイバ滑りと直接関係する要因になっており、把持基板２，３と裸光ファイバ１−１の境界部である光ファイバ把持端６で最大となる。したがって、光ファイバ１に大きな引っ張り力を加えると、滑りは光ファイバ把持端６から発生する。そして、光ファイバ１が把持基板２，３に対して滑ると、引っ張り力が光ファイバ突き合わせ部７まで作用する。ただし、外部からの引っ張り力は、図１０(a) に示すように、把持基板２，３側へ徐々に伝搬し、光ファイバ突き合わせ部７に作用していない。
【０００８】
単心線から４心テープ心線までのメカニカルスプライスの開発では、光ファイバ把持区間長を短くして光ファイバ把持面積を狭くしても、光ファイバが基板に対して滑らない光ファイバ把持を実現してきた。しかし、４心を越える多心接続、例えば８心テープ心線接続になると、製造誤差等のために接続すべき光ファイバの全心を確実に把持することが困難になってきた。すなわち、確実把持のために接続部に高い製造精度が必要となっており、接続部の信頼性および経済性が問題になっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献１では、光ファイバの外径誤差、基板の光ファイバ把持表面の平面度・粗さの影響が問題にされていない。光ファイバを基板で把持して接続するとき、両者の製造精度に起因して、通常は光ファイバ把持力に差が発生する。把持力が小さい光ファイバは、基板表面に残される光ファイバ線条痕の線幅が狭くなり、基板に対して滑りやすくなる問題がある。
【００１０】
また、滑りが発生する限界の光ファイバ軸力分布と、把持基板に残される光ファイバ線条痕との関係が明らかにされていない。そのため、光ファイバ軸力分布が既知であっても、接続部の製造誤差も考慮して、基板の光ファイバ把持面に残される光ファイバ線条痕を具体的（例えば視覚的）に評価する方法がなかった。
【００１１】
多心メカニカルスプライス接続の場合は、光ファイバ数と把持面積の増加に応じて、光ファイバ外径や光ファイバ把持面の平面度・粗さの製造誤差の影響が大きくなり、得られる光ファイバ把持力が光ファイバ間で相違し、一部の光ファイバで滑りが発生する問題がある。
【００１２】
一方、光ファイバの滑りを防止するために、基板で光ファイバを過度に強く把持しようとすると、光ファイバあるいはその把持基板自体が破損するおそれがある。
【００１３】
以上のような要因により、メカニカルスプライス内で光ファイバと基板との間に滑りが発生し、光ファイバ突き合わせ部の光ファイバ端面同士の接続状態（相対的位置関係）が変わると、大きな損失変化や反射減衰量変化が発生したり、光ファイバ端面に欠けが発生する。また、滑りにより光ファイバ表面に傷がつくと、メカニカルスプライス内の裸光ファイバの累積破断確率が増大する問題がある。その結果、光ファイバ接続部の長期信頼性が低下したり、伝送特性が悪化したりすることになる。
【００１４】
本発明は、光ファイバに大きな力をかけることなく所要の滑り耐力を付与できるメカニカルスプライスを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のメカニカルスプライスは、光ファイバ把持端を光ファイバ突き合わせ部より強く把持する構造とし、そのような光ファイバ把持方法をとる。例えば、把持バネ力を光ファイバ突き合わせ部より光ファイバ把持端側に強く作用させる構造、あるいは把持基板の寸法形状を設計して押さえ基板の撓みを利用する構造とする。これにより、光ファイバ滑り耐力を必要とする箇所（光ファイバ把持端）で、光ファイバと把持基板との摩擦力を大きくすることができ、一様の光ファイバ把持方法よりも大きな滑り耐力を付与し、滑り難くすることができる。
【００１７】
なお、本発明のメカニカルスプライスおよびその光ファイバ把持方法では、光ファイバ把持端が光ファイバ突き合わせ部より強く把持されるので、光ファイバ把持端の光ファイバ線条痕の線幅が光ファイバ突き合わせ部より幅広くなるので、小さな把持力で滑り発生限界線幅曲線を包含させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のメカニカルスプライスの実施形態を示す。図において、本発明のメカニカルスプライスは、光ファイバ１の押さえ基板２およびＶ溝基板３と、両基板で光ファイバ１を把持する力を発生する把持バネ４を有する構成は従来と同様であるが、押さえ基板２およびＶ溝基板３が実際に裸光ファイバ１−１を把持する部分の光ファイバ把持端６を光ファイバ突き合わせ部７より強く把持する機能を有する構造に特徴がある。ここでは、押さえ基板２が撓む寸法形状とし、把持バネ力が光ファイバ把持端６に強くかかるようにしている。
【００１９】
また、本実施形態では、裸光ファイバ１−１と光ファイバ被覆部１−２を把持する押さえ基板２および把持バネ４を分離しているが、裸光ファイバ１−１を把持する押さえ基板２に本発明の特徴がある。
【００２０】
裸光ファイバ１−１を把持する押さえ基板２は、光ファイバ突き合わせ部７の位置で把持バネ４側に設けた切欠き溝８と、光ファイバ把持端６の外側の位置で裸光ファイバ１−１側に設けた切欠き溝９を有する。押さえ基板２に切欠き溝８を設けることにより、把持バネ４の力点が切欠き溝８の両端部１０になり、かつ押さえ基板２が光ファイバ突き合わせ部７付近で曲げ剛さが小さくなるので、押さえ基板２が光ファイバ突き合わせ部７を中心として左右に裸光ファイバ１−１を押さえ込むように撓む。また、切欠き溝９についても、押さえ基板２が光ファイバ突き合わせ部７より光ファイバ把持端６を強く押さえるように撓ませる効果がある。なお、切欠き溝８，９がなくても、基板２に所要の撓みを与えることができれば、必ずしも切欠き溝８，９は必要ではない。
【００２１】
押さえ基板２およびＶ溝基板３の具体的材料としては、低線膨張係数を有する石英ガラス細粒子を骨材としてエポキシ樹脂で固めたもの、あるいはアルミニウムなどを用いることができる。
【００２２】
このようなメカニカルスプライスによる光ファイバ１（裸光ファイバ１−１）の接続手順の概要は次の通りである。(1) まず、把持バネ４を開放し、末端処理した光ファイバ１をメカニカルスプライス端部から挿入できる状態にする。把持バネ４の開放は、例えば光ファイバ軸と直交する方向から、把持基板２，３の間に楔を挿入する構造とすればよい。(2) 末端処理した光ファイバ１（裸光ファイバ１−１）をメカニカルスプライス内部に挿入し、光ファイバ突き合わせ部７で端面同士が軽く接触する程度の突き合わせ力で突き合わせる。(3) 楔を抜くと把持バネ４が閉じ、把持基板２，３で突き合わせた光ファイバ１は把持され、かつＶ溝基板３上のＶ溝によって軸合わせされる。以上により接続が完了する。
【００２３】
ここで、押さえ基板２の撓み量は、把持バネ４の強さ、把持バネ４が押さえ基板２に作用する力点の位置、切欠き溝８，９の溝深さなどによる基板寸法形状により決まる。すなわち、これらの基板寸法形状により、光ファイバ突き合わせ部７に対する光ファイバ把持端６付近の撓み量を調整し、把持基板２，３に残る光ファイバ線条痕の線幅を調整できる。そして、光ファイバ線条痕の線幅が、光ファイバ突き合わせ部７より光ファイバ把持端６で幅広くなるようにすれば滑り発生限界線幅曲線の全体を包含するようにできる。以下、この光ファイバ把持評価方法について、詳細に説明する。
【００２４】
（1.  光ファイバ線条痕の計算）
まず、光ファイバをメカニカルスプライスで接続するときに、光ファイバと基板との接触面の形状、すなわち基板に残される光ファイバ線条痕の評価に用いる滑り発生限界線幅曲線の計算方法について説明する。
【００２５】
（1-1 設計荷重）
設計荷重は、光ファイバを滑らせるモーティブ力である。これは、光ファイバに作用する熱応力（接続部の適用温度範囲）と、外部引っ張り力（通常、接続部ハンドリング時の許容引っ張り力）である。光ファイバの滑り耐力は、光ファイバ把持端に発生する剪断力（摩擦力）の大きさで決定される。摩擦力は、光ファイバ把持力（把持バネ強さ）と、把持基板と光ファイバ間の摩擦係数の積として計算される。同一接続部内では、光ファイバ把持力が光ファイバ間で一様にならないときに、基板との摩擦力に差が発生する。
【００２６】
（1-2 光ファイバ把持力）
図２は、光ファイバ端面同士を突き合わせ、把持基板で把持した光ファイバ把持計算モデルを示す。図において、裸光ファイバ１−１のヤング率をＥf 、把持基板２，３のヤング率をＥs 、裸光ファイバ１−１のポアソン比をνf 、把持基板２，３のポアソン比をνs 、裸光ファイバ１−１の単位長さ当たりの線荷重をｑ、光ファイバと基板の接触面圧力をｐ、接触面中心に生じる最大圧力をｐ0 、裸光ファイバ１−１の半径をｒ、裸光ファイバ１−１の基板接触面における軸と垂直方向の幅（光ファイバ線条痕の線幅）を２ｂ、基板表面の直下で発生する最大主剪断応力をτmax 、線幅の中心線からその幅方向の距離をｙとする。
【００２７】
裸光ファイバ１−１（円柱）と押さえ基板２（平面）が接触するとき、ヘルツの応力の公式から、
ｃ(ν)＝（１−νf2)／Ｅf ＋（１−νs2)／Ｅs             …(1)
とおけば、
２ｂ＝４(ｒ・ｃ(ν)・ｑ／π)1/2                         …(2)
ｐ＝ｐ0(１−(ｙ／ｂ)2)1/2；ｐ0＝ｑ／(π・ｒ・ｃ(ν))    …(3)
となる。また、基板表面から 0.4×２ｂの深さにおいて
τmax ≒ｐ0／３                                         …(4)
となる。
【００２８】
図３は、(2) 式を用い、基板のヤング率をパラメータとして、単位長さ当たりの線荷重ｑと光ファイバ線条痕の線幅２ｂの関係を計算した結果を示す。把持バネ力から線荷重を計算し、顕微鏡観察して押さえ基板２上の線幅を求めれば、基板表面の実効的ヤング率は図３から決定できる。この表面ヤング率を用いることにより、裸光ファイバ１−１に作用する実際的な軸力分布を計算することができる。
【００２９】
また、光ファイバ把持力を大きくすれば、滑りが抑制される。しかし、基板と光ファイバの破壊強さが問題になる。(3),(4) 式のｐ0 ，τmax から、これらの破壊強度を評価することができる。把持バネ力（線荷重ｑ）の上限値は、裸光ファイバ１−１と押さえ基板２の圧縮破壊強さによって制限される。基板による光ファイバ把持力は、ｐ0 ，τmax の計算値と、各材料の圧縮強さσc との大小関係から設計できる。
【００３０】
（1-3 光ファイバ軸力分布）
上記文献１には、光ファイバ滑り発生限界に関し、光ファイバ軸力分布の計算例が示されている。図４は、本発明のメカニカルスプライスの光ファイバ接続部を示す。図４(a) は、光ファイバ接続部の全体の断面構成を模式的に示す。裸光ファイバ１−１と光ファイバ被覆部１−２は分離して把持されるが、被覆ヤング率が基板ヤング率と比較して１桁小さい。このため、以下の説明では、裸光ファイバ１−１を把持する部分について考える。
【００３１】
図４(b) は、光ファイバ接続部の外部から裸光ファイバ１−１に引っ張り力が作用する場合を示す。図において、光ファイバ把持端６に作用する引っ張り力をＦ、基板の中心Ｏからその長手方向の距離をｘ、裸光ファイバ１−１を把持する基板の把持長を２Ｌ、裸光ファイバ１−１の断面積をＡf 、裸光ファイバ１−１を把持する把持基板２，３の合計断面積をＡs 、裸光ファイバ１−１の線膨張係数をαf 、把持基板２，３の線膨張係数をαs 、接続時の周囲温度に対する温度変化量をΔｔとする。
【００３２】
ある位置ｘにおける裸光ファイバ１−１の引っ張り力をｆ、光ファイバ軸方向の単位長さ当たりの剪断力をＴとすると、ｆとＴは
ｆ＝Ｆ＋Ｔtmin・ｃ｛sinh(ｘ／ｃ)−sinh(Ｌ／ｃ)｝    …(5)
Ｔ＝Ｔtmin・cosh(ｘ／ｃ)                            …(6)
Ｔtmin＝ｃＧＦ／｛sinh(Ｌ／ｃ)・Ａf Ｅf ｝          …(7)
から計算される。ただし、
１／ｃ2 ＝Ｇ／（Ａf Ｅf ) ，ＡsＥs＞ＡfＥf          …(8)
であり、横弾性率Ｇは、
Ｇ＝Ｅs／２(１＋νs)
で表される。
【００３３】
図４(c) は、光ファイバ接続部の周囲温度が降下して把持基板２，３が収縮し、光ファイバ突き合わせ部７に突き合わせ力が作用する場合を示す。突き合わせ力ｆと剪断力Ｔは、
ｆ＝−Ｔcmin・ｃ・sinh(ｘ／ｃ)＋Ｄ                  …(9)
Ｔ＝Ｔcmin・cosh(ｘ／ｃ)                            …(10)
Ｔcmin＝Ｄ／｛ｃ・sinh(Ｌ／ｃ)｝                    …(11)
から計算される。ただし、Ｄは低温環境下で光ファイバ接続部（ｘ＝０）に作用する熱応力から計算される突き合わせ力である。また、以上の光ファイバ軸力分布は、光ファイバと基板との間で滑りが発生する直前の状態について、ｘ方向に対して１次元で解析した結果である。また、１本の光ファイバの計算結果である。
【００３４】
また、光ファイバ接続部の周囲温度が上昇し、把持基板２，３がその長手方向に線膨張する場合には、裸光ファイバ１−１に引っ張り力が作用する。この場合には、温度変化に対する引っ張り力を求め、上記 (5)〜(7) 式のＬをＬ／２に置換すれば、引っ張り力ｆと剪断力Ｔを近似的に計算することができる。
【００３５】
（1-4 線幅と剪断力の関係）
図４(b) において、ｘ〜ｘ＋dxの微小区間dxについて、摩擦力と剪断力Ｔの釣り合いを考える。摩擦係数をμとすると、摩擦に関するクーロンの法則から
μ・ｑdx≧Ｔdx                        …(12)
となるので、
Ｔ≦μｑ                              …(13)
となる。(13)式を裸光ファイバ１−１の単位長さ当たりの線荷重ｑについて整理し、 (2)式に代入すると、
ｂ＝２(ｒ・ｃ(ν)・Ｔ／(μπ))1/2     …(14)
となる。この(14)式は、裸光ファイバ１−１に作用する荷重に対する剪断力分布曲線と線幅曲線の関係を示す。
【００３６】
摩擦係数μは、次のように計算される。光ファイバ接続部の引っ張り強度試験を実施すれば、光ファイバ把持端６に作用する引っ張り力Ｆが直接得られる。光ファイバ把持端６（ｘ＝Ｌ）において、最大剪断力Ｔmax と引っ張り力Ｆとの関係は、基板表面層のヤング率を用いて (5),(6)式から計算する。一方、把持基板２，３表面の光ファイバ線条痕を顕微鏡観察して線幅２ｂを求めると、基板表面ヤング率に対して線荷重ｑが得られる。ゆえに、摩擦係数μは、(13)式から
Ｔmax ／ｑ
として計算される。さらに、線荷重が光ファイバ軸方向に一様でない場合も、摩擦係数μは光ファイバ線条痕の線幅から分布線荷重を求めることにより、同様に計算することができる。
【００３７】
ここで、摩擦係数μが裸光ファイバ１−１と把持基板２，３の接触面全体で等しいと仮定すれば、光ファイバ滑りを防止する必要最小限の線幅２ｂは、(6) 式または(10)式を(14)式に代入することにより計算される。
【００３８】
（1-5 線幅曲線と滑り評価）
光ファイバ軸力に対する光ファイバ滑り発生限界に関する剪断力分布曲線は、(13),(14) 式から座標ｘにおいて必要な線荷重、すなわち滑り発生限界の線幅曲線に書き換えられる。この滑り発生限界の線幅曲線を尺度にして、把持基板２，３上に残される実際の光ファイバ線条痕の線幅との大小関係を比較すれば、光ファイバ滑り発生の有無を評価することができる。
【００３９】
線幅曲線の大小関係が、光ファイバ把持区間「−Ｌ≦ｘ≦Ｌ」で「引っ張り強度および熱応力による線幅曲線≦光ファイバ線条痕の線幅曲線」の関係が成立すれば、その線形と無関係に光ファイバ滑りは発生しない。一方、突き合わせた裸光ファイバ１−１の外径差や把持基板２，３の寸法形状精度に起因して線幅曲線の大小関係が成立しなければ、光ファイバ滑りが発生する。
【００４０】
（2.  実験結果）
次に、光ファイバ線条痕と基板に対する光ファイバ滑りとの関係についての実験結果を示す。
【００４１】
（2-1 引っ張り強度試験）
図５は、突き合わせた裸光ファイバ１−１の外径差Δφと引っ張り強度の関係を示す。表１は、光ファイバ接続部の各種パラメータを示す。表２は、実験（引っ張り強度試験）に用いた光ファイバパラメータであり、直交する２方向の外径（非円率）の測定結果を示す。
【００４２】
【表１】
0003677425.tif 000002
【００４３】
【表２】
0003677425.tif 000003
【００４４】
光ファイバ接続部の引っ張り条件は、引っ張り速度５ｍｍ／分、心線長 300ｍｍで測定した。光ファイバ被覆部１−２の把持が引っ張り強度に与える影響を除くために、把持基板２，３と裸光ファイバ１−１について測定した。引っ張り強度は、裸光ファイバ１−１が把持基板２，３による把持部において、破断または滑りながら引き抜け始める値を採用した。
【００４５】
突き合わせた裸光ファイバ１−１に外径差Δφがあるとき、光ファイバ突き合わせ部７において、小外径側光ファイバの把持力が低下し、大外径側光ファイバの把持力が上昇する。図５によると、外径差Δφがある値以下では、引っ張り強度は外径差が大きくなるほど低下する傾向が認められるが、急激には低下しなかった。しかし、外径差がある値（約２μｍ）を越えると、小外径光ファイバが引き抜ける場合が生ずるようになった。これは、表１の基板の場合、光ファイバ突き合わせ部７の外径差の影響が光ファイバ把持端６まで及ぶことを意味している。なお、多心テープ心線接続部の引っ張り強度試験は、光ファイバ滑りに関する要因解析が困難になるので、単心線接続部で評価した。
【００４６】
（2-2 光ファイバ線条痕の顕微鏡観察）
把持基板上に残される実際の光ファイバ線条痕観察試料は、次のように作製した。まず、表２に示す光ファイバを用いて、外径差Δφが０〜 1.7μｍの接続試料を選択する。光ファイバ接続部は接続後に１週間放置し、接続工具を用いて光ファイバを抜き取った後、単心メカニカルスプライスを分解して押さえ基板２を取り出す。押さえ基板２の表面の光ファイバ線条痕は、基板の表面層が１μｍ前後塑性変形して窪んだものである。表３は、光ファイバ突き合わせ部７での光ファイバ線条痕の線幅と把持面応力計算例を示す。ただし、単位長さ当たりの線荷重は約 20 Ｎ／ｍｍの場合の計算例である。大外径側と小外径側の光ファイバ線条痕の線幅は、顕微鏡観察写真から判読した。
【００４７】
【表３】
0003677425.tif 000004
【００４８】
図６は、押さえ基板２の表面に残された実際の光ファイバ線条痕を模式的に示す。図６(a) は、従来のメカニカルスプライスの光ファイバ線条痕１１−１を示す。表３に示すように、光ファイバ突き合わせ部７における光ファイバ線条痕の線幅の差は、外径差Δφが小さいときはほとんど認められず、外径差Δφの増加とともに大きくなる傾向が認められる。しかし、外径差Δφがある値を越えると、光ファイバ突き合わせ部７における小外径光ファイバによる線幅が急激に細くなり、外径差Δφに起因する光ファイバ把持力の低下が光ファイバ把持端６まで及ぶようになる。
【００４９】
図６(b) は、本発明のメカニカルスプライスの光ファイバ線条痕１１−２を示す。大外径側と小外径側の光ファイバ線条痕の線幅は、光ファイバ把持端６（ｘ＝Ｌ）から光ファイバ突き合わせ部７（ｘ＝０）に向かって徐々に細くなっていることがわかるが途切れてはいない。この光ファイバの軸方向に線幅が変化する原因は、光ファイバの外径差ではなく、押さえ基板２の光ファイバ軸方向に対する傾き（撓み）である。その結果、光ファイバは、光ファイバ突き合わせ部７より光ファイバ把持端６で強く把持されることになる。
【００５０】
（2-3 基板表面の塑性変形）
ヘルツの公式が適用できる厳密な条件として、物体が弾性体である必要がある。本論の光ファイバ線条痕は、基板表面の１μｍ前後の極めて薄い層が塑性変形して窪んだものである。図６(c) は、光ファイバを把持して１ヵ月半の温度サイクル試験を行った直後と、１分間把持した後の光ファイバ線条痕を観察した例を示す。時間差が大きいにもかかわらず両者の線幅はほとんど等しく、その違いは１分後の光ファイバ線条痕の深さがサブミクロンと浅いことである。接続後１週間の試料と比較しても同様である。したがって、光ファイバ線条痕の線幅は、塑性変形が進行して次第に拡大していくことはないことがわかる。また、光ファイバを基板で把持した直後は、基板表面が弾性変形して接触面が生じるが、ある時間が経過すると光ファイバと基板の接触点近傍が変形する弾性変形に移行すると考えられる。
【００５１】
（2-4 基板表面のヤング率と摩擦係数）
基板表面のヤング率は、上記の（1-2 光ファイバ把持力）の欄で説明したように、把持バネ力から計算した光ファイバ線荷重と、Δφ＝０に対する光ファイバ線条痕の線幅から、図３を用いて決定できる。表面ヤング率は、表１に示す基板のヤング率と比較して80％程度の大きさで、約16ＧＰa であった。
【００５２】
また、図５の引っ張り強度試験結果から、Δφ＝０のときに引っ張り強度は平均 3.5Ｎであった。最大剪断力Ｔmax は、基板表面のヤング率16ＧＰa を用いて (6)式から計算される。さらに、上記の（1-4 線幅と剪断力の関係）の欄で説明したように、(13)式から最大剪断力を線荷重で割算すれば、光ファイバ把持端６での摩擦係数μは 0.4と計算される。この摩擦係数μを(14)式に代入して線幅曲線を計算した。
【００５３】
（2-5 線幅曲線による滑り評価）
図７は、基板上に残された実際の光ファイバ線条痕と滑り発生限界線幅曲線の大小関係の一例を示す。以下、光ファイバの外径差Δφ＝1.3 μｍの場合について考察する。
【００５４】
１２は、引っ張り強度（Ｆ＝3.5 Ｎ）に対して計算される滑り発生限界線幅曲線である。１３は、Δｔ＝−60℃で発生する熱応力（突き合わせ力）に対して計算される滑り発生限界線幅曲線である。１４は、Δｔ＝＋60℃で発生する熱応力（引っ張り力）に対して計算される滑り発生限界線幅曲線である。このような計算による滑り発生限界線幅曲線１２〜１４に対して、基板上に残された実際の光ファイバ線条痕１１が包含するような関係にあれば、光ファイバは基板に対して滑らないと評価することができる。
【００５５】
なお、光ファイバ把持端６に求められる線幅は、外部引っ張り力に対する滑り発生限界線幅曲線１２により決定され、光ファイバ突き合わせ部７に求められる線幅は、温度上昇時の熱応力（引っ張り力）に対する滑り発生限界線幅曲線１４により決定される。したがって、光ファイバの滑りが発生しない目安となる線幅条件は、図８に示すように、光ファイバ線条痕１１が滑り発生限界線幅曲線１２〜１４の傾向と一致するように基板の寸法形状や材料定数を設定し、例えば光ファイバ把持端６の線幅が光ファイバ突き合わせ部７の線幅の２〜３倍程度になるようにすればよい。これには、図６(b) に示すように、光ファイバ把持端６の光ファイバを強く把持すればよい。
【００５６】
（2-6 温湿度サイクル試験による滑り確認）
外径差Δφ＝1.3 μｍのある光ファイバ同士を単心接続し、光ファイバに把持力の差をつけて温湿度サイクル試験を行った。試験は、単心メカニカルスプライス２直接接続したサンプル10組について行った。試験条件は、Telcordia Technologies規格に準じて架空環境を模擬し、「85℃高温、60℃・95％高湿、−40℃〜75℃・８時間／サイクル」の順にそれぞれ10日間である。その結果、各サンプルの２接続分の損失変動が、試験前の値に対して試験途中、試験後の値が±0.03ｄＢ以内と良好な結果が得られた。初期接続損は１接続当たり 0.1ｄＢ以下であり、損失測定波長は1.31μｍである。
【００５７】
なお、本発明のメカニカルスプライスにおける光ファイバ線条痕の線幅は、図６(2) に示すように、光ファイバ突き合わせ部７に対して左右対称になっていないが、線幅の大小関係を満足しているために良好な損失変動特性が得られた。すなわち、基板表面の実際の光ファイバ線条痕１１が、計算した滑り発生限界線幅曲線１２〜１４より大きい（前者が後者を包含する）場合には、接続する光ファイバに把持力の差があっても、温湿度サイクル試験中に光ファイバ滑りが発生しないことを実験確認できた。また、線幅曲線の大小関係における余裕は、接続部温度環境条件・基板製造精度に対する安全率となっている。
【００５８】
一方、引っ張り強度については、上記（2-1 引っ張り強度試験）の前に押さえ基板表面に残された光ファイバ線条痕の線幅２ｂが、設計荷重に対して計算した滑り限界線幅曲線の線幅より大きいことを確認することにより、滑り発生なしを予測できた。
【００５９】
（2-7 材料破壊）
線幅が一定値に収束するまでの時間は、接続部の材料によって異なる。本実験で用いた基板材料では、１分程度でかなり安定した。光ファイバの圧縮破壊強さは、最大５ＧＰa 程度である。しかし、接続作業時に裸光ファイバの表面に傷を付けるため、１桁程度低下すると考えられる。また、基板の圧縮破壊強さは0.25ＧＰa 以上であった（測定器の測定限界）。
【００６０】
外径差Δφ＝1.7 μｍと最も大きい接続実験材料について、接続して２週間後に、接続工具を用いて光ファイバを接続部から抜取り、光ファイバ突き合わせ部を顕微鏡観察した結果、損傷は認められなかった。表３には、光ファイバと把持基板について、(3),(4) 式から光ファイバ表面位置の最大応力（最大接触圧）、基板中の最大剪断応力を計算した一例を示す。
【００６１】
基板の光ファイバ把持表面は、当初、平面である。基板表面の薄い層は、上述したように、時間の経過とともに光ファイバ外周面に沿って塑性変形してくる。このとき、光ファイバと基板の接触部の曲率半径が近づくため、接触面圧縮応力は緩和される。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のメカニカルスプライスは、光ファイバ突き合わせ部より光ファイバ把持端の光ファイバを強く把持することにより、外部引っ張り力あるいは周囲温度変化に伴う基板伸縮によって光ファイバに作用する内部応力などの設計荷重に対して、光ファイバに所要の滑り耐力を付与でき、一様把持より大きな滑り耐力を付与することができる。
【００６３】
また、４心を越える多心線（例えば８心テープ心線）の他、従来の４心以下の心線についても、光ファイバの一様把持より大きな滑り耐力（引っ張り強度）を得ることが容易であり、光ファイバを確実に把持することができ、信頼性を高めることができる。
【００６６】
以上により、温湿度サイクル試験時の接続損失変動の防止、ハンドリング時の光ファイバの引き抜け防止などを実現することができる。その結果、メカニカルスプライスにおける伝送特性の劣化がなく、長期信頼性を向上させることができる。さらに、ファイバ・トゥ・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）などの光アクセス網の実現において、架空光ケーブルからユーザ宅への引き込みなど、屋外環境のような比較的環境条件の厳しい場所でも使用に耐えうるメカニカルスプライスが実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメカニカルスプライスの実施形態を示す断面図。
【図２】基板による光ファイバ把持計算モデルを示す図。
【図３】光ファイバ把持力と光ファイバ線条痕の線幅の関係を計算した例を示す図。
【図４】本発明のメカニカルスプライスの光ファイバ接続部を示す図。
【図５】突き合わせた光ファイバの外径差と引っ張り強度の関係を示す図。
【図６】光ファイバ線条痕の模式図。
【図７】実際の光ファイバ線条痕と滑り発生限界線幅曲線の大小関係を示す図。
【図８】実際の光ファイバ線条痕の目安となる線幅を示す図。
【図９】従来のメカニカルスプライスの基本構成を示す断面図。
【図１０】光ファイバ軸力分布計算例を示す図。
【符号の説明】
１  光ファイバ
１−１  裸光ファイバ
１−２  光ファイバ被覆部
２  押さえ基板
３  Ｖ溝基板
４  把持バネ
５  屈折率整合剤
６  光ファイバ把持端
７  光ファイバ突き合わせ部
８，９  切欠き溝
１０  切欠き溝８の両端部
１１  光ファイバ線条痕
１２  引っ張り強度に対して計算される滑り発生限界線幅曲線
１３  熱応力（突き合わせ力）に対して計算される滑り発生限界線幅曲線
１４  熱応力（引っ張り力）に対して計算される滑り発生限界線幅曲線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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