光控制式光路切换型光信号传输装置和用于切换光信号的光路的方法

摘要

一种光信号光路切换方法，包括如下步骤：通过使用基于由于在已经吸收一种特定波长的所述控制光束(121，122和123)的热透镜形成器件(1，2和3)的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当控制光束(121，122和123)未照射和未形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以正常发散角度从所述热透镜形成器件出射，和当所述控制光束照射和形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以大于所述正常发散角度的发散角度从所述热透镜形成器件出射，和当所述控制光束未照射和未形成所述热透镜时，使所述信号光束直线通过设有用于通过所述信号光束的孔的反射镜的孔(61，62和63)，和当所述控制光束照射和形成所述热透镜时，利用设有孔的反射镜反射所述信号光束以改变光路。

权利要求

1.一种光控制式光路切换型光信号传输装置，包括：

信号光束光源，用于照射具有一种或多种波长的信号光束；

控制光束光源，用于照射具有两种或多种与所述信号光束的波长不同的波长的控制光束；

两个或多个光吸收层膜，用于透射所述信号光束和分别选择性地吸收仅仅一种特定波长的所述控制光束；

用于将所述控制光束和信号光束分别会聚和照射到每一个所述光吸收层膜的装置；

两个或多个热透镜形成器件，用于通过使用含有所述光吸收层膜且基于由于在已经吸收所述一种特定波长的控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，使所述会聚的信号光束出射同时维持光束会聚或改变所述信号光束的发散角度并使所述信号光束出射；和多个反射镜，在每一个所述热透镜形成器件之后设置一个反射镜并且所述反射镜包括孔和反射装置，所述反射镜响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，而使从所述热透镜形成器件出射的所述信号光束通过所述孔或用于通过所述反射装置反射所述信号光束来使所述信号光束的光路偏转。

2.一种光控制式光路切换型光信号传输装置，包括：

信号光束光源，用于照射具有一种或多种波长的信号光束；

控制光束光源，用于照射具有两种或多种与所述信号光束的波长不同的波长的控制光束；

两个或多个光吸收层膜，用于透射所述信号光束和选择性地吸收仅仅一种特定波长的所述控制光束；

用于将所述控制光束和信号光束分别会聚和照射到每一个所述光吸收层膜的装置；和

两组或多组光路切换机构，每组包括热透镜形成器件和具有孔的反射镜的组合，其中

所述热透镜形成器件包括所述光吸收层膜，并通过使用基于由于在已经吸收所述一种特定波长的控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种特定波长的所述控制光束未照射和未形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以正常发散角度出射，和当所述一种特定波长的控制光束照射和形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以大于所述正常发散角度的发散角度出射，所述热透镜形成器件由此响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，而改变被引导出射的所述信号光束的发散角度，和其中在所述反射镜中具有的孔被设置来用于当所述一种特定波长的所述控制光束未照射和未形成所述热透镜时，以正常发散角度使从所述热透镜形成器件输出的所述信号光束依其原样通过，或者以由光接收透镜改变的发散角度使所述信号光束通过，并且反射装置用于当所述一种特定波长的控制光束已经照射和在所述光吸收膜的入射面附近形成热透镜时，依其原样反射以大于正常发散角度的发散角度从所述热透镜形成器件发散输出的所述信号光束，或者反射具有由所述光接收透镜改变的发散角度的所述信号光束，所述反射镜改变光路。

3.一种光控制式光路切换型光信号传输装置，包括：

信号光束光源，用于照射具有一种或多种波长的信号光束；

控制光束光源，用于照射具有两种或多种与所述信号光束的波长不同的波长的控制光束；

两个或多个光吸收层膜，用于透射所述信号光束和选择性地吸收仅仅一种特定波长的所述控制光束；

用于将所述控制光束和信号光束分别会聚和照射到每一个所述光吸收层膜的装置；和

两组或多组光路切换机构，每组包括热透镜形成器件和具有孔的反射镜的组合，其中

所述热透镜形成器件包括所述光吸收层膜，并通过使用基于由于在已经吸收所述一种特定波长的控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种特定波长的控制光束照射和形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束会聚地出射，和当所述控制光束未照射和未形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以正常发散角度出射，所述热透镜形成器件由此响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，而改变被引导出射的所述信号光束的发散角度，和其中在具有孔的所述反射镜中的所述孔被设置来用于当所述一种特定波长的控制光束照射和在所述光吸收层膜的出射面附近形成所述热透镜时，使从所述热透镜形成器件输出的会聚的信号光束会聚地通过，和反射装置用于当所述一种特定波长的控制光束未照射和未形成所述热透镜时，依其原样反射以正常发散角度从所述热透镜形成器件输出的所述信号光束，或者反射穿过用于改变所述发散角度的光接收透镜的所述信号光束，所述反射镜改变光路。

4.一种光控制式光路切换型光信号传输装置，包括：

信号光束光源，用于照射具有一种或多种波长的信号光束；

控制光束光源，用于照射具有两种或多种与所述信号光束的波长不同的波长的控制光束；

两个或多个光吸收层膜，用于透射所述信号光束和选择性地吸收仅仅一种特定波长的所述控制光束；

用于将所述控制光束和信号光束分别会聚和照射到每一个所述光吸收层膜的装置；

一组或多组第一光路切换机构，每组第一光路切换机构包括第一热透镜形成器件和具有孔的第一反射镜的组合；和一组或多组第二光路切换机构，每组第二光路切换机构包括第二热透镜形成器件和具有孔的第二反射镜的组合，其中所述第一热透镜形成器件包括所述光吸收层膜，并通过使用基于由于在已经吸收所述一种特定波长的控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种特定波长的控制光束未照射和未形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以正常发散角度出射，和当所述一种特定波长的控制光束照射和在所述光吸收层膜的入射面附近形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以大于所述正常发散角度的发散角度出射，所述第一热透镜形成器件由此响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，而改变被引导出射的所述信号光束的发散角度，其中具有孔的所述第一反射镜中的所述孔被设置用于当所述一种特定波长的控制光束未照射和未形成所述热透镜时，使以所述正常发散角度从所述热透镜形成器件输出的所述信号光束依其原样通过，或者以由光接收透镜改变的发散角度使所述信号光束通过，反射装置用于当所述一种特定波长的控制光束照射和在所述光吸收膜的入射面附近形成所述热透镜时反射以大于所述正常发散角度的发散角度从所述热透镜形成器件发散输出的所述信号光束，或者反射具有由所述光接收透镜改变的发散角度的所述信号光束，其中所述第二热透镜形成器件含有所述光吸收层膜，并通过使用基于由于在已经吸收所述一种特定波长的控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种特定波长的控制光束照射和在所述光吸收层膜的出射面附近形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束会聚地出射，和当所述控制光束未照射和未形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以正常发散角度出射，所述第二热透镜形成器件由此响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，而改变被引导出射的所述信号光束的发散角度，和其中在具有孔的所述第二反射镜中的所述孔被设置来用于当所述一种特定波长的控制光束已经照射和在所述光吸收层膜的出射面附近已经形成所述热透镜时，使从所述热透镜形成器件输出的所述会聚的信号光束会聚地通过，和反射装置用于当所述一种特定波长的控制光束未照射和未形成所述热透镜时，依其原样反射以所述正常发散角度从所述热透镜形成器件输出的所述信号光束或者反射穿过用于改变所述发散角度的所述光接收透镜的所述信号光束，所述第二反射镜改变光路。

5.如权利要求2所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，所述两组或多组光路切换机构通过空间直接串联连接或通过光纤连接系统串联连接。

6.如权利要求3所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，所述两组或多组光路切换机构通过空间直接串联连接或通过光纤连接系统串联连接。

7.如权利要求4所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，所述两组或多组光路切换机构通过空间直接串联连接或通过光纤连接系统串联连接。

8.如权利要求2所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，三组或更多组光路切换机构通过空间直接连接成多级结构或通过光纤连接系统连接成多级结构，所述连接的每一级分成两个方向，其中一个方向上光束通过所述反射镜的孔直线行进，另一个方向上光束被反射。

9.如权利要求3所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，三组或更多组光路切换机构通过空间直接连接成多级结构或通过光纤连接系统连接成多级结构，所述连接的每一级分成两个方向，其中一个方向上光束通过所述反射镜的孔直线行进，另一个方向上光束被反射。

10.如权利要求4所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，三组或更多组光路切换机构通过空间直接连接成多级结构或通过光纤连接系统连接成多级结构，所述连接的每一级分成两个方向，其中一个方向上光束通过所述反射镜的孔直线行进，另一个方向上光束被反射。

11.一种用于切换光信号光路的方法，包括如下步骤：

使具有一种或多种波长的信号光束和具有两种或多种与所述信号光束的波长不同的波长的控制光束同轴且在同一方向上行进；

将所述控制光束和信号光束分别会聚和照射到用于透射所述信号光束和选择性地吸收仅仅一种特定波长的所述控制光束的两个或多个光吸收层膜中的每一个上；

在含有所述光吸收层膜的两个或多个热透镜形成器件中的每一个处，通过使用基于由于在已经吸收所述一种特定波长的控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，使所述会聚的信号光束会聚地出射或改变所述信号光束的发散角度来出射；和使用设有孔并具有反射面的反射镜，响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，使从所述热透镜形成器件输出的信号光束从所述孔直线行进或通过在所述反射面处反射所述信号光束来改变光路。

12.一种切换光信号光路的方法，包括如下步骤：

使具有一种或多种波长的信号光束和具有两种或多种与所述信号光束的波长不同的波长的控制光束同轴且在同一方向上行进；

将所述控制光束和信号光束分别会聚和照射到用于透射所述信号光束和选择性地吸收仅仅一种特定波长的所述控制光束的两个或多个光吸收层膜中的每一个上；

在含有所述光吸收层膜的两个或多个热透镜形成器件的每一个处，通过使用基于由于在已经吸收所述一种特定波长的控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种特定波长的控制光束未照射和在所述光吸收层膜的入射面附近未形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以正常发散角度从所述热透镜形成器件出射，和当所述一种特定波长的控制光束照射和形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以大于所述正常发散角度的发散角度从所述热透镜形成器件出射，和响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，改变被引导出射的所述信号光束的发散角度；

当所述一种特定波长的控制光束未照射和未形成所述热透镜时，使以所述正常发散角度从所述热透镜形成器件输出的所述信号光束依其原样通过设有孔的反射镜的所述孔，或者使具有由光接收透镜改变的发散角度的所述信号光束通过设有孔的反射镜的所述孔；和当所述一种特定波长的控制光束照射和在所述光吸收层膜的入射面附近形成所述热透镜时，利用设有孔的反射镜的反射面依其原样反射以大于所述正常发散角度的发散角度从所述热透镜形成器件发散输出的所述信号光束，或者反射具有由所述光接收透镜改变的发散角度的所述信号光束，从而改变光路。

13.一种切换光路的方法，包括如下步骤：

使具有一种或多种波长的信号光束和具有两种或多种与所述信号光束的波长不同的波长的控制光束同轴且在同一方向上行进；

将所述控制光束和信号光束会聚和照射到用于透射所述信号光束和选择性地吸收仅仅一种特定波长的所述控制光束的两个或多个光吸收层膜中的每一个上；

在含有所述光吸收层膜的两个或多个热透镜形成器件的每一个处，通过使用基于由于在已经吸收所述一种特定波长的控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种特定波长的控制光束照射和在所述光吸收层膜的出射面附近形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束会聚地出射，和当所述控制光束未照射和未形成所述热透镜时，使所述会聚的信号光束以正常发散角度出射，和响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射而改变被引导出射的所述信号光束的发散角度；

当所述一种特定波长的控制光束照射和在所述光吸收层膜的出射面附近形成所述热透镜时，使从所述热透镜形成器件输出的会聚的信号光束会聚地通过设有孔的所述反射镜的孔并直线行进；和当所述一种特定波长的控制光束未照射和未形成所述热透镜时，利用设有孔的所述反射镜的反射面依其原样反射以所述正常发散角度从所述热透镜形成器件输出的所述信号光束的光路或者反射具有由所述光接收透镜改变的发散角度的所述信号光束的光路，从而改变光路。

14.如权利要求2所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，在具有多个波长的光束中，将具有最长波长的光束设置为所述信号光束，将其波长比所述信号光束的波长短的两个或多个光束设置为所述控制光束，将其中所述热透镜形成器件吸收的波长是最短波长的光路切换机构设置为第一级，后面级中的所述光路切换机构以在每一所述热透镜形成器件中所吸收的波长递增的顺序连接。

15.如权利要求3所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，在具有多个波长的光束中，将具有最长波长的光束设置为所述信号光束，将其波长比所述信号光束的波长短的两个或多个光束设置为所述控制光束，将其中所述热透镜形成器件吸收的波长是最短波长的光路切换机构设置为第一级，后面级中的所述光路切换机构以在每一所述热透镜形成器件中所吸收的波长递增的顺序连接。

16.如权利要求4所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，在具有多个波长的光束中，将具有最长波长的光束设置为所述信号光束，将其波长比所述信号光束的波长短的两个或多个光束设置为所述控制光束，将其中所述热透镜形成器件吸收的波长是最短波长的光路切换机构设置为第一级，后面级中的所述光路切换机构以在每一所述热透镜形成器件中所吸收的波长递增的顺序连接。

17.如权利要求1～10和权利要求14～16中任一项所述的光控制式光路切换型光信号传输装置，其中，所述光吸收层膜含有两种或多种选自下面组中的色素：N，N′-二(2，5-二-叔丁基苯基)-3，4，9，10-二萘嵌苯二碳酰亚胺)[1]，

[R＝C(CH3)3]

2，9，16，23-四-叔丁基-29H，31H-酞菁铜(II)[2]，

2，11，20，29-四-叔丁基-2，3-萘菁氧钒[3]，

18.如权利要求11～13中任一项所述的切换光信号光路的方法，其中，所述光吸收层膜含有两种或多种选自下面组的色素：N，N′-二(2，5-二-叔丁基苯基)-3，4，9，10-二萘嵌苯二碳酰亚胺)[1]，

[R＝C(CH3)3]

2，9，16，23-四-叔丁基-29H，31H-酞菁铜(II)[2]，

2，11，20，29-四-叔丁基-2，3-萘菁氧钒[3]，

说明书

1.发明领域

本发明涉及用于光通信领域及光信息处理领域的光控制式光路切换型光信号传输装置和用于切换光信号的光路的方法。

2.技术背景

为了应对网络业务爆炸性的增加以及互联网和公司、家庭的内部互联网的普及，要求有不涉及任何电信号的光路切换装置(光开关)，即光-光直接切换。作为光纤、光波导、用于切换在空间传播的光束的行进路径(即，光路)的装置和方法，已公知的方案例如是在光波导内或光波导间切换S条光路的空间分割(spacedivision)方案；通过根据波长为各个光路分割具有多个波长的复用后的光束而切换该复用后的光束的波分复用方案；切换按恒定时间间隔时分复用的光束的光路的时分复用方案；以及利用反射镜或快门分割和耦合在空间中传播的光束的空间光径的自由空间(frees pace)方案。所述多种方案中的每种都可以被复用，并且也可以组合使用这些方案。

所提出的空间分割型光开关包括：利用定向耦合器的光开关、利用分光器(optical dropper)创建光信号的副本并使用门器件在打开和关闭之间切换光束的光开关、通过改变交叉的交叉部分或Y    分支点处的波导的折射率从而透射或反射在波导中传播的光的光开关等。然而，所有这些仍处于研究开发的阶段。通过使用电加热器而产生的热光学效应来改变马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪型光波导开关的波导的折射率的装置已接近于实用，但这种装置的缺点不仅在于其响应速度缓慢，约为1微秒，而且在于需要电信号来操作光开关。

同时，可得到的自由空间型光开关包括微机电系统(简写作MEMS)、激子吸收反射开关(简写作EARS)、多级光束偏转器型光开关、全息图型光开关、液晶开关等。然而，这些开关尚未达到足以实用的阶段，这是因为它们存在许多规定(assignment)，比如它们具有可机械移动的部分、它们依赖于偏振电磁辐射，以及其他因数。

另一方面，积极研究通过使用在使用光照射光学器件时引起的透射率变化和折射率变化而直接调制光的强度或频率的全光型光学器件和光学控制方法。在本申请中描述的本发明的发明人继续正在进行的光学控制方法的研究，其目的在于使用全光型光学器件(即利用通过将有机色素聚合体分散于聚合物基质中所形成的有机纳米微粒热光透镜形成器件)开发新的信息处理技术(参见Takashi Hiraga，Norio Tanaka，Kikuko Hayamizu和Tetsuo Moriya，″Formation，Structure Evaluation and Photo-Material Property ofAssociated/Aggregated Pigment″，Journal of Electronic TechnologyGeneral Institute，Electronic Technology General Institute，Agency ofIndustrial Science and Technology，Ministry of International Tradeand Industry，Vol.59，No.2，pp.29-49(1994)).目前利用控制光束(633nm)来调制信号光束(780nm)的器件已经开发出来，该器件的特点在于，控制光束与信号光束是同轴的且同焦点入射，所基于的操作原理为利用控制光束的吸收而临时形成的热透镜来折射信号光束，该器件已实现约20纳秒的高速响应.日本专利申请特许公开No.1996-286220、1996-320535、1996-320536、1997-329816、1998-90733、1998-90734和1998-148852中，公开了一种光学控制方法，该光学控制方法通过利用控制光束照射包括光响应组成物的光学器件而使与控制光束的波段不同的波段中的信号光束的透射率和/或折射率可逆地变化，对透射通过光学器件的信号光束进行强度调制和/或光通量密度调制，其中所述控制光束和信号光束是会聚的且被照射到所述光学器件上，并且调整控制光束及信号光束的光路，以使控制光束及信号光束中每个的焦点附近光子密度最高的区域(光束束腰)在所述光学器件中互相重叠.此外，日本专利申请特许公开No.1998-148853中，公开了一种光学控制方法，该光学控制方法通过基于已经吸收控制光束的光响应组成物的区域及其周边区域中产生的温度增加而造成的密度分布变化，可逆地形成所述热透镜，从而对透射过热透镜的信号光束进行强度调制和/或光通量密度调制，其中具有彼此不同的波长的控制光束及信号光束照射到包括光响应组成物的光学器件，所述控制光束的波长选自所述光响应化合物吸收的波段.此外，在日本专利申请特许公开No.1998-148853中，还描述了色素/树脂膜或色素溶液膜可用作所述光学器件，当控制光束的功率为2～25mW时信号光束对于所述照射的控制光束的响应时间小于2微秒.

这里，热透镜效应是一种折射效应，其中在光吸收的中心区域已吸收光的分子将光转换为热量，通过将该热量传导至周围区域而产生温度分布，结果是，光透射物质的折射率自光吸收中心向外部区域以球面的方式变化，以产生一种折射率分布，在该折射率分布中，光吸收中心的折射率较低，而持续向外部的区域的折射率较高，其类似于凸透镜的折射率分布。这种热透镜效应已经被应用于光谱分析的领域相当长时间，并且目前也可以进行用于检测甚至一个单分子的光吸收的超高灵敏度光谱分析(参见Kitao Fujiwara，Keiichiro Fuwa和Takayosi Kobayasi，″ALaser-Induced Thermal Lens Effect and Its Application toCalorimetry″，Chemistry，Kagaku-Dojin，Vol.36，No.6，pp.432-438(1981)；以及Takehiko kitamori和Tsuguro Sawada，″Photo-Thermo Conversion Spectral Analysis Method″，Bunseki，Japanese Society of Analytical Chemistry，March，1994，pp.178-187)。

此外，作为利用由热透镜效应或者通过热所产生的折射率变化使光路偏转的方法，在日本专利申请特许公开No.1985-14221中公开了一种通过使用加热电阻提供热量而在介质中产生折射率分布以偏转光束的方法。

然而，因为在所有上述的方法中，热量是使用加热电阻产生的，并且使用传导来加热介质，因此这些方法就存在“热扩散”的固有问题。也就是说，由于热扩散，不能在大面积内提供精密的热梯度，并且难以或不能可靠地得到所希望的折射率分布。此外，在实际实践中，即使采用半导体集成电路所使用的光刻技术加工，加热电阻的精细处理也是有限的，从而不可能防止器件尺寸增大。当器件的尺寸增加时，所述光学系统变得更大且更复杂。此外，由于热量是使用加热电阻来产生的，并通过热传导来加热介质，所以本发明的内在缺陷在于响应缓慢，并且无法增加用于改变折射率的频率。

此外，日本专利申请特许公开No.1999-194373公开了一种偏转设备，至少包括包含光敏组成物的光学器件，以及用来以楔形的光强度分布的光对该光学器件进行照射的强度分布调整装置，其中利用控制光束在所述光学器件中形成折射率分布，并且通过折射率分布将其波长与控制光束的波长不同的信号光束偏转。尽管此方案在使用光控制光方面具有优势，但该方案的限制在于偏转角度必须在30度内，因此，其问题在于无法自由地设定光路切换方向。

因此，本发明人提交了一件专利申请，该专利申请在下面描述了一种光路切换方法，提供了没有偏振电磁波依赖性的光路切换装置和光路切换方法，可以自由地设定切换光路的角度和方向，减小了信号光束的光强衰减，且可多重连接使用。在日本专利申请特许公开No.2004-109892中公开的这个光路切换方法中，其波长选自光吸收层膜吸收的波段的控制光束以及其波长选自光吸收层膜不吸收的波段的信号光束分别是会聚的且被照射到至少包含所述光吸收层膜的热透镜形成器件中的光吸收层膜上；调整配置使得至少所述控制光束被聚焦在所述光吸收层膜内；以及使用基于通过在已经吸收控制光束的光吸收层膜的区域以及其周边区域中产生的温度上升而可逆形成的折射率分布的热透镜。由此，响应于是否存在控制光束的照射实现两种状态，一种状态是，在控制光束未照射且未形成热透镜的情况下，使会聚的信号光束以正常的发散角度从热透镜形成器件出射，而在控制光束照射且形成热透镜的情况下，则使会聚的信号光束以大于正常发散角度的发散角度从热透镜形成器件出射；在控制光束未照射而未形成热透镜的情况下，使以正常发散角度从热透镜形成器件出射的信号光保持不变，或者在利用光接收透镜改变发散角度之后，穿过设有可使信号光束通过的孔的反射镜上的孔并直线行进；但是，在控制光束照射且形成热透镜的情况下，使以大于正常发散角度的发散角度从热透镜形成器件出射的信号光保持不变，或者在经过光接收透镜改变发散角度之后，使用设有孔的反射镜将其反射。

发明内容

本发明有利地提供了一种光控制式光路切换型光信号传输装置和切换光信号光路的方法，其不会产生与利用电路或机械元件相关的问题，可以高速操作，耐久性高，并且没有偏振电磁波依赖性。
为了实现上述优势，本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置包括：信号光束光源，用于照射具有一种(1)或多种波长的信号光束；控制光束光源，用于照射具有两种(2)或多种与信号光束的波长不同的波长的控制光束；两个(2)或多个光吸收层膜，用于透射所述信号光束和分别选择性吸收仅仅所述一种(1)特定波长的控制光束；用于将控制光束和信号光束分别会聚和照射到每一个光吸收层膜的装置；两个(2)或多个热透镜形成器件，通过使用包含有光吸收层膜并且基于在已经吸收所述一种(1)特定波长的控制光束的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆地形成的折射率分布的热透镜，响应于是否存在所述一种(1)特定波长的控制光束的照射，用于使会聚的信号光束出射且保持所述光束是会聚的或用于改变信号光束的发散角度并使信号光束出射；和设置在每一个热透镜形成器件之后并包括孔和反射装置的反射镜，所述反射镜响应于是否存在所述一种(1)特定波长的控制光束的照射，用于使出射的信号光束经由孔穿过热透镜形成器件或用于通过由反射装置反射信号光束来使信号光束的光路偏转。
本发明的另一种光控制式光路切换型光信号传输装置包括：信号光束光源，用于照射具有一种(1)或多种波长的信号光束；控制光束光源，用于照射具有两种(2)或多种与信号光束的波长不同的波长的控制光束；两个(2)或多个光吸收层膜，用于透射所述信号光束和分别选择性地吸收仅仅一种(1)特定波长的控制光束；用于将所述控制光束和信号光束分别会聚和照射到每一个光吸收层膜的装置；和两组或多组光路切换机构，每组包括热透镜形成器件和具有孔的反射镜的组合，其中热透镜形成器件包括光吸收层膜，并通过使用基于由于在已经吸收一种(1)特定波长的所述控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种(1)特定波长的控制光束还未照射和还未形成热透镜时，使会聚的信号光束以正常发散角度出射，以及当一种(1)特定波长的控制光束照射和形成热透镜时，使会聚的信号光束以大于正常发散角度的发散角度出射，和响应于是否存在一种(1)特定波长的控制光束的照射，改变被引导出射的信号光束的发散角度，和其中具有孔的反射镜包括孔和反射装置，所述孔用于当一种(1)特定波长的控制光束未照射和未形成热透镜时，使以正常发散角度从热透镜形成器件输出的信号光束依其原样通过或者以由光接收透镜改变的发散角度使信号光束通过，所述反射装置用于当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的入射面附近形成热透镜时反射以大于正常发散角度的发散角度从热透镜形成器件发散输出的信号光束或者反射具有由光接收透镜改变的发散角度的信号光束，和改变光路。
本发明的另一种光控制式光路切换型光信号传输装置包括：信号光束光源，用于照射具有一种(1)或多种波长的信号光束；控制光束光源，用于照射具有两种(2)或多种与信号光束的波长不同的波长的控制光束；两个(2)或多个光吸收层膜，用于透射信号光束和选择性吸收仅仅所述一种(1)特定波长的控制光束；用于将控制光束和信号光束分别会聚和照射到每一个光吸收层膜的装置；和两组或多组光路切换机构，每组包括热透镜形成器件和具有孔的反射镜的组合，其中所述热透镜形成器件包括光吸收层膜，并通过使用基于由于在已经吸收一种(1)特定波长的所述控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种(1)特定波长的控制光束照射和形成热透镜时，使会聚的信号光束会聚地出射，和当所述一种(1)特定波长的控制光束未照射和未形成热透镜时，使会聚的信号光束以正常发散角度出射，和响应于是否存在一种(1)特定波长的控制光束的照射，改变被引导出射的信号光束的发散角度，和其中具有孔的反射镜包括孔和反射装置，所述孔用于当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的出射面附近形成热透镜时，使从热透镜形成器件输出的会聚的信号光束会聚地通过，所述反射装置用于当一种(1)特定波长的控制光束未照射和未形成热透镜时依其原样反射以正常发散角度从热透镜形成器件输出的信号光束或者反射穿过用于改变发散角度的光接收透镜的信号光束，和改变光路。
本发明的另一种光控制式光路切换型光信号传输装置包括：信号光束光源，用于照射具有一种(1)或多种波长的信号光束；控制光束光源，用于照射具有两种(2)或多种与信号光束的波长不同的波长的控制光束；两个(2)或多个光吸收层膜，用于透射信号光束和选择性吸收仅仅所述一种(1)特定波长的控制光束；用于将控制光束和信号光束分别会聚和照射到每一个光吸收层膜的装置；一组或多组第一光路切换机构，每组第一光路切换机构包括第一热透镜形成器件和具有孔的第一反射镜的组合；和一组或多组第二光路切换机构，每组第二光路切换机构包括第二热透镜形成器件和具有孔的第二反射镜的组合，其中第一热透镜形成器件包括光吸收层膜，并通过使用基于由于在已经吸收一种(1)特定波长的所述控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种(1)特定波长的控制光束未照射和未形成热透镜时，使会聚的信号光束以正常发散角度出射，和当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的入射面附近形成热透镜时，使会聚的信号光束以大于正常发散角度的发散角度出射，和响应于是否存在一种(1)特定波长的控制光束的照射，改变被引导出射的信号光束的发散角度，其中具有孔的第一反射镜包括孔和反射装置，所述孔用于当一种(1)特定波长的控制光束未照射和未形成热透镜时，使以正常发散角度从热透镜形成器件出射的信号光束依其原样通过或者以由光接收透镜改变的发散角度使信号光束通过，和所述反射装置用于当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的入射面附近形成热透镜时依其原样反射以大于正常发散角度的发散角度从热透镜形成器件发散输出的信号光束或者反射具有由光接收透镜改变的发散角度的信号光束，其中第二热透镜形成器件包括光吸收层膜，并通过使用基于由于在已经吸收一种(1)特定波长的所述控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的出射面附近形成热透镜时，使会聚的信号光束会聚地出射，和当控制光束未照射和未形成热透镜时，使会聚的信号光束以正常发散角度出射，响应于是否存在一种(1)特定波长的控制光束的照射，第二热透镜形成器件改变被引导出射的信号光束的发散角度，和其中具有孔的第二反射镜包括孔和反射装置，所述孔用于当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的出射面附近形成热透镜时，使从热透镜形成器件输出的会聚的信号光束会聚地通过，所述反射装置用于当一种(1)特定波长的控制光束未照射和未形成热透镜时依其原样反射以正常发散角度从热透镜形成器件输出的信号光束或者反射已经通过用于改变发散角度的光接收透镜的信号光束，第二反射镜改变光路.
在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置中，两组(2)或多组光路切换机构可以通过空间直接串联连接或通过光纤连接系统串联连接。
在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置中，三组(3)或更多组光路切换机构可以通过空间直接连接成多级结构或通过光纤连接系统连接成多级结构，所述连接的每一级分支成两个方向，其中一个方向上光束通过反射镜的孔直线行进，另一个方向上光束被反射。
本发明的切换光信号的光路的方法包括如下步骤：使具有一种(1)或多种波长的信号光束和具有两种(2)或多种与信号光束的波长不同的波长的控制光束基本上同轴且同方向行进；将控制光束和信号光束分别会聚和照射到用于透射信号光束和选择性吸收仅仅一种(1)特定波长的控制光束的两个(2)或多个光吸收层膜中的每一个上；在每一个含有光吸收层膜的两个(2)或多个热透镜形成器件处，通过使用基于由于在已经吸收一种(1)特定波长的所述控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，响应于是否存在具有一种(1)特定波长的控制光束的照射，使会聚的信号光束会聚地出射或改变其发散角度来出射；和使用设有孔并具有反射面的反射镜，响应于是否存在一种(1)特定波长的控制光束的照射，使从热透镜形成器件输出的信号光束通过孔直线行进或通过在反射面处反射信号光束而改变其光路.
本发明的另一种切换光信号的光路的方法包括如下步骤：使具有一种(1)或多种波长的信号光束和具有两种(2)或多种与信号光束的波长不同的波长的控制光束基本上同轴且同方向地行进；将控制光束和信号光束分别会聚和照射到用于透射信号光束和选择性吸收仅仅一种(1)特定波长的控制光束的两个(2)或多个光吸收层膜中的每一个上；在每一个含有光吸收层膜的两个或多个热透镜形成器件处，通过使用基于由于在已经吸收一种(1)特定波长的所述控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当所述一种(1)特定波长的控制光束未照射和在光吸收层膜的入射面附近未形成热透镜时，使会聚的信号光束以正常发散角度从热透镜形成器件出射，和当所述一种(1)特定波长的控制光束照射和已经形成热透镜时，使会聚的信号光束以大于正常发散角度的发散角度从热透镜形成器件出射，和响应于是否存在具有一种(1)特定波长的控制光束的照射，改变被引导出射的信号光束的发散角度；当一种(1)特定波长的控制光束未照射和未形成热透镜时，使以正常发散角度从热透镜形成器件输出的信号光束依其原样通过或者以由光接收透镜改变的发散角度使信号光束通过设有孔的反射镜的孔；和
另一方面，当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的入射面附近形成热透镜时，利用设有孔的反射镜的反射面依其原样反射以大于正常发散角度的发散角度从热透镜形成器件发散的信号光束或者反射具有由光接收透镜改变的发散角度的信号光束，从而改变光路。
本发明的另一种切换光信号的光路的方法包括如下步骤：使具有一种(1)或多种波长的信号光束和具有两种(2)或多种与信号光束的波长不同的波长的控制光束基本上同轴且同方向地行进；将控制光束和信号光束分别会聚和照射到用于透射信号光束和选择性吸收仅仅一种(1)特定波长的控制光束的两个(2)或多个光吸收层膜中的每一个上；在含有光吸收层膜的两个(2)或多个热透镜形成器件中的每一个处，通过使用基于由于在已经吸收一种(1)特定波长的所述控制光束的所述光吸收层的区域以及其周边区域中产生的温度上升的原因而可逆形成的折射率分布的热透镜，当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的出射面附近形成热透镜时，使会聚的信号光会聚地出射，和当控制光束未照射和未形成热透镜时，使会聚的信号光束以正常发散角度出射，和响应于是否存在具有一种(1)特定波长的控制光束的照射而改变被引导出射的信号光束的发散角度；当一种(1)特定波长的控制光束照射和在光吸收层膜的出射面附近形成热透镜时，使从热透镜形成器件输出的会聚的信号光束会聚地通过设有孔的反射镜的孔并直线行进；和当一种(1)特定波长的控制光束未照射和未形成热透镜时，利用设有孔的反射镜的反射面依其原样反射以正常发散角度从热透镜形成器件出射的信号光束的光路或者反射具有由光接收透镜改变的发散角度的信号光束的光路，从而改变光路。
在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置中，在具有多个波长的光束中，可以将具有最长波长的光束设置为信号光束，可以将波长比信号光束的波长短的两个或多个光束设置为控制光束，将其中热透镜形成器件吸收的波长最短的光路切换机构设置为第一级，后面级中的光路切换机构以在每一热透镜形成器件中所吸收的波长递增的顺序连接。
附图简述
图1a是实施例1描述的带有光路切换机构的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构示意图；
图1b是图1中示出的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构示意图，其中简化了实施例1中描述的光路切换机构；
图2a是空间耦合型光路切换机构的结构简化图；
图2b是空间耦合型光路切换机构的结构简化示意图；
图3是光纤耦合型光路切换机构的结构简化示意图；
图4示出了实施例2的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构简化示意图；
图5示出了实施例4的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构简化示意图；
图6示出了实施例5的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构简化示意图；
图7(a)示出未形成热透镜的实例中的的光束的路径；
图7(b)示出未形成热透镜的实例中的另一种光束的路径；
图8(a)示出当光束的束腰的位置被调整为使得所述光束的束腰位于所述光吸收层膜的光束入射侧的附近时，当形成热透镜时的光束的光路；
图8(b)示出当光束的束腰的位置被调整为使得所述光束的束腰位于所述光吸收层膜的光束出射侧的附近时，当形成热透镜时的光束的光路；
图9(a)示出当光束的束腰的位置被调整为使得所述光束的束腰位于所述光吸收层膜的光束入射侧的附近时，光路切换原理的示意图；
图9(b)示出当光束的束腰的位置被调整为使得所述光束的束腰位于所述光吸收层膜的光束出射侧的附近时，光路切换原理的示意图；
图10(a)示出当光束的束腰的位置被调整为使得所述光束的束腰位于所述光吸收层膜的光束入射侧的附近时，光路切换原理的示意图；
图10(b)示出当光束的束腰的位置被调整为使得所述光束的束腰位于所述光吸收层膜的光束出射侧的附近时，光路切换原理的示意图；
图11示出热透镜形成器件的结构的例子的剖面图；
图12示出热透镜形成器件的结构的例子的剖面图；
图13示出在信号光束的截面上的光强度分布测量中使用的狭缝与光束之间的关系；
图14示出以会聚透镜等会聚的高斯光束的焦点附近的示意图；
图15示出了在示波器上观测到的控制光束及信号光束的波形；
图16示出了在示波器上观测到的控制光束及信号光束的波形；
图17示出打开和关闭控制光束的频率与光路已切换的信号光束的强度(振幅)之间的关系；
图18示出信号光束的截面上的光强度分布；
图19示出信号光束的截面上的光强度分布；
图20示出信号光束的截面上的光强度分布；
图21是色素溶液填充型热透镜形成器件的示意图；
图22分别示出色素[1]，[2]，和[3]的溶液的透射光谱。
优选实施例的描述
[热透镜形成器件]
在本发明中，具有叠层膜型结构的器件可以用作热透镜形成器件，例如下述组合可被作为叠层膜结构列出：
(1)单一的光吸收层膜。然而，这种光吸收层膜可为字面上仅包括一个光吸收膜的单层膜，或可以是包括诸如光吸收膜/热透镜形成层的双层结构，或包括诸如光吸收膜/热透镜形成层/光吸收层的三层结构。下面的光吸收层膜(2)～(10)中包括与上述相同的结构：
(2)光吸收层膜/绝热层膜
(3)绝热层膜/光吸收层膜/绝热层膜
(4)光吸收层膜/导热层膜
(5)导热层膜/光吸收层膜/导热层膜
(6)光吸收层膜/绝热层膜/导热层膜
(7)导热层膜/光吸收层膜/绝热层膜
(8)导热层膜/光吸收层膜/绝热层膜/导热层膜
(9)导热层膜/绝热层膜/光吸收层膜/绝热层膜
(10)导热层膜/绝热层膜/光吸收层膜/绝热层膜/导热层膜
(11)折射率分布型透镜/(光透射层/)上述(1)至(10)中的任何一种热透镜形成器件
(12)折射率分布型透镜/(光透射层/)上述(1)至(10)中的任何一种热透镜形成器件/(光透射层/)折射率分布型透镜。
上述“(光透射层/)”是指在需要时设置光透射层。此外，在需要时，可在光的入射面及出射面设置防反膜(AR涂覆膜)。
图11中示出热透镜形成器件的结构的一个例子的剖面图。如图11所示，热透镜形成器件500可以包括按照自控制光束509及信号光束508的入射侧开始的顺序层叠的折射率分布型透镜507、光透射层506、导热层膜501、光吸收层膜503/热透镜形成层505、光吸收层膜504以及导热层膜502。应该注意到，图11中所示的控制光束509的光线是示意性的，并且在图中未示出各层间界面处的折射。
图12中示出热透镜形成器件的结构的另一个例子的剖面图。如图12所示，热透镜形成器件600例如包括按照自控制光束609及信号光束608的入射侧开始的顺序层叠的导热层膜601、光吸收层膜603、热透镜形成层605、光吸收层膜604以及导热层膜602。当使用这种结构时，控制光束609和信号光束608是在首先由外部设置的会聚透镜610会聚后才入射到热透镜形成器件600的。图12中所示的控制光束609的光线是示意性的，省略了各层间界面处的折射。
此外，图21中示出了色素溶液填充型热透镜形成器件的示意图.如图21所示，色素溶液填充型热透镜形成器件800是按照下述方式制成的器件，即，将作为组合的光吸收层膜和热透镜形成层工作的色素溶液从导入管806的导入口807加到光学室(opticalcell)809的色素溶液填充单元808，该光学室被作为导热层膜工作的入射和出射表面玻璃板801和802、侧玻璃板803和804、和底玻璃板805包围，并且闭合导入口807.即，这个器件800是一种简单的器件结构，比如导热层膜/光吸收层膜和组合的光吸收层膜和热透镜形成层/导热层膜.
以下针对光吸收层膜、热透镜形成层、绝热层膜、导热层膜，光透射层以及折射率分布型透镜的材料、制作方法、以及这些膜的膜厚等进行描述。
本发明中所使用的光吸收层膜、热透镜形成层、绝热层膜、导热层膜、光透射层以及折射率分布型透镜的材料，在不影响这些膜、层和材料的范围内，也可含有公知的抗氧化剂、紫外线吸收剂、单线态氧猝火剂(quencher)、分散助剂等作为添加剂，以改进可加工性或改进光学器件的稳定性和耐久性。
[光吸收层膜的材料]
各种公知的物质可用作本发明的热透镜形成器件中的光吸收层膜的光吸收材料。
优选用于本发明的热透镜形成器件中的光吸收层膜的光吸收材料的具体例子包括例如：比如GaAs、GaAsP、GaAlAs、InP、InSb、InAs、PbTe、InGaAsP、ZnSe等化合物半导体的单晶；将这些化合物半导体的微粒分散于基质材料中而获得的材料：掺杂有另一种金属离子的金属卤化物(例如溴化钾，溴化钠等)的单晶；将这些金属卤化物(例如溴化铜、氯化铜、氯化钴等)的微粒分散于基质材料中而获得的材料；掺杂有诸如铜等的另一种金属离子的CdS、CdSe、CdSeS、或CdSeTe等硫族化镉的单晶；将这些硫族化镉的微粒分散于基质材料中而获得的材料；比如硅、锗、硒、碲等的半导体单晶薄膜；多晶薄膜乃至多孔质薄膜；将硅、锗、硒、碲等的半导体的微粒分散于基质材料中而获得的材料；与掺杂有诸如红宝石、紫翠玉、柘榴石、Nd:YAG、蓝宝石、Ti：蓝宝石、或者Nd:YLF等的金属离子的宝石相应的单晶(统称作“激光晶体”)；掺杂有金属离子(例如铁离子)的铌酸锂(LiNbO3)、LiB3O5，LiTaO3、KTiOPO4、KH2PO4、KNbO3、BaB2O2等的铁电晶体；掺杂有金属离子(例如钕离子、饵离子等)的石英玻璃、钠玻璃、硼硅酸盐玻璃、或其它玻璃等；其它在基质材料中溶解或分散色素而获得的材料；以及无定形色素聚合物。
在上面列出的材料之中，特别优选使用在基质材料中溶解或分散色素而获得的那些材料，因为使用这种材料使得基质材料与色素选择范围较广，且容易加工成热透镜形成器件。
作为可优选用于本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中的色素的具体例子包括：若丹明B、若丹明6G、曙红、根皮红B等呫吨(xanthene)系色素；吖啶橙、吖啶红等吖啶系色素：乙基红、甲基红等偶氮色素；卟啉系色素；酞菁系色素；萘酞青系色素；3，3’-二乙基噻羰化青碘化物、以及3，3’-二乙基氧基二羰化青碘化物等青蓝色素；乙基紫、以及维多利亚蓝R等三芳基甲烷系色素；萘醌系色素；蒽醌系色素；萘四羧酸二亚胺系色素；苝四羧酸二亚胺系色素等。
在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中，可单独使用任何色素，也可以组合使用两种或更多种色素。
作为在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中使用的基质材料，可以使用满足以下两个条件的任何一种材料：
(1)所述材料在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法所使用的光的波长范围内具有高透射率；以及
(2)所述材料能够高稳定地溶解或分散本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法所使用的色素或各种微粒.
可接受的无机固态基质材料的例子包括例如：金属卤化物的单晶、金属氧化物的单晶、金属硫属化合物的单晶、石英玻璃、钠玻璃、硼硅酸盐玻璃，以及利用所谓溶胶-凝胶法制成的低熔点玻璃材料。
可接受的无机液态基质材料的例子包括例如：水、水玻璃(碱金属硅酸盐的粘稠水溶液)、盐酸、硫酸、硝酸、王水、氯磺酸、甲磺酸和三氟甲磺酸。可接受的有机溶剂的例子包括醇，如甲醇，乙醇，异丙醇，正丁醇，戊醇，环己醇，苄醇；多元醇，如乙二醇，二甘醇，甘油等；酯，如乙酸乙酯，乙酸正丁酯，乙酸戊酯，乙酸异丙酯等；酮，如丙酮，甲基乙基酮，甲基异丁基酮，环己酮等；醚，如乙醚，丁醚，甲氧基乙醇，乙氧基乙醇，丁氧基乙醇，卡必醇等；环醚，如四氢呋喃，1，4-二氧六环，1，3-二噁烷(1，3-dioxoran)等；卤代烃，如二氯甲烷，氯仿，四氯化碳，1，2-二氯乙烷，1，1，2-三氯乙烷，三氯乙烯，溴仿，二溴甲烷，二碘甲烷等；芳香烃，如苯，甲苯，二甲苯，氯苯，间二氯苯，硝基苯，茴香醚，α-氯萘等；脂肪烃，如正戊烷，正己烷，正戊烷，环己烷等；酰胺，如N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，六甲基磷三胺酰等；环酰胺，如N-甲基吡咯烷酮等；脲衍生物，如四甲基脲，1，3-二甲基-2-咪唑啉酮等；亚砜，如二甲基亚砜等；碳酸酯，如碳酸异丙烯酯(propylene carbonate)等；腈，如乙腈，丙腈，苯腈等；含氮杂环化合物，如吡啶，喹啉等；胺，如三乙胺，三乙醇胺，二乙基氨基醇，苯胺等；有机酸，如氯乙酸，三氯乙酸，三氟乙酸，乙酸等；以及溶剂如硝基甲烷，二硫化碳，环丁砜等。也可以组合使用多种上述溶剂。
此外，可使用液态、固态、玻璃态或橡胶态的有机高分子材料作为有机基质材料。这些材料的具体例子包括树脂，如聚苯乙烯、聚(α-甲基苯乙烯)、聚茚、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚乙烯吡啶、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩乙醛、聚乙烯醇缩丁醛，聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚二氯乙烯、聚乙烯甲基醚、聚乙烯乙基醚、聚乙烯苄基醚、聚乙烯甲基酮、聚(N-乙烯咔唑)、聚(N-乙烯吡咯酮)、聚丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸苄酯、聚甲基丙烯酸环己酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酰胺，聚甲基丙烯腈、聚乙醛、吡啶和三氯乙醛产物、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯类(双酚类+碳酸)、聚(二乙二醇/碳酸双芳基酯)类、6-尼龙、6，6-尼龙、12-尼龙、6，12-尼龙、聚天门冬胺酸乙酯、聚谷胺酸乙酯、聚赖氨酸酯、聚脯氨酸、聚(γ-苄基-L-谷胺酸酯)、甲基纤维素、乙基纤维素、苄基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、乙酰纤维素、纤维素三醋酸酯、纤维素三丁酯、醇酸树脂(苯二甲酸酐+丙三醇)、脂肪酸变性醇酸树脂(脂肪酸+苯二甲酸酐+丙三醇)、不饱和聚酯树脂(顺丁烯二酸酐+苯二甲酸酐+丙二醇)、环氧树脂(双酚类+表氯醇)、聚氨酯树脂、酚醛树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂、二甲苯树脂、甲苯树脂、三聚氰二胺树脂等树脂、聚(苯基甲基硅烷)等有机聚硅烷、有机聚锗烷及上述材料的共聚物和聚缩物(condensation-copolymer)。此外，还可接受的是通过等离子体聚合诸如二硫化碳、四氟化碳、乙基苯、全氟苯、全氟环己酮或三甲基氯硅烷等平常不具聚合性的化合物所获得的高分子化合物。此外，将色素残基作为单体单元的侧链、或作为共聚单体单元的桥连基、或作为聚合起始端而结合到上述大分子化合物中，使获得的材料作为基质材料。色素残基与基质材料之间亦可形成化学键。
可使用公知的方法将色素溶解或分散于该基质材料中.例如，优选使用下述任一方法.
在将色素与基质材料溶解于共同的溶剂中并混合后，再蒸发除去溶剂；将色素溶解于利用溶胶-凝胶法制造的无机基质材料的原料溶液中并混合后，制备基质材料；在需要时使用溶剂，将色素溶解或分散于有机高分子基质材料的单体中，将该单体聚合或缩聚而形成基质材料；并且将色素与有机高分子基质材料溶解于共同溶剂中所形成的溶液滴入不溶解色素与热塑性高分子基质材料的溶剂中，过滤生成的沉淀，干燥，再加热/熔融处理。通过使色素与基质材料适当组合并加工，将色素分子凝集，以形成称为“H聚集体(associated body)”或“J聚集体”等的特殊聚集体的方法已被广知，而亦可在色素分子可形成凝集状态或聚集状态的状态中使用基质材料中的色素分子。
此外，可使用公知的方法将上述各种微粒分散于所述基质材料中。例如，优选使用的例子包括：将上述微粒分散于基质材料的溶液或基质材料的前体(precursor)的溶液后，再除去溶剂；分散所述微粒，通过聚合或缩聚单体制备基质材料，在需要时使用溶剂；例如以过氯酸镉或氯化金等金属盐作为微粒的前体，使金属盐溶解或分散于有机高分子基质材料中后，用硫化氢处理使硫化镉的微粒在基质材料中淀积，或者通过热处理、化学气相淀积法、溅射法等使金的微粒在基质材料中淀积。
在可使色素自身作为使得光散射较少的无定形薄膜单独存在的情况下，亦可不使用基质材料，而将色素的无定形薄膜用作光吸收层膜。
此外，在可使色素单自身作为使得不产生光散射的微结晶聚集体独存在的情况下，亦可不使用基质材料，而将色素的微结晶聚集体用作光吸收层膜。如本发明所使用的上述热透镜形成器件，作为光吸收层膜的色素微结晶聚集体是层叠设置在热透镜形成层(树脂等)、导热层膜(玻璃等)和/或绝热层膜(树脂等)之上的情况，如果上述色素微小结晶的粒子直径大小不超过信号光束波长或控制光束波长中较短者的波长的1/5，则基本上不会发生光学散射。
[光吸收层膜的材料、信号光束的波段以及控制光束的波段的组合和顺序]
本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中所使用的光吸收层膜的材料、信号光束的波段以及控制光束的波段，可视使用目的而选定适当的组合来作为其组合使用。
作为具体的设定过程，首先根据使用目的来确定信号光束的波长或波段，再选定最适合用于控制信号光束的所确定的波长或所确定的波段的光吸收层膜材料与控制光束的波长的组合。或者，根据使用目的确定信号光束与控制光束的波长后，再选定适合于所确定的组合的光吸收层膜的材料。
作为这种选择过程的具体实例，将描述一个实例，在该实例中，从半导体激光器振荡发出的其波长为850nm、1350nm或1550nm并且被超高速调制到千兆赫的近红外光被用作信号光束，其中通过具有多个可见光波段的控制光束在光路间切换这个光束.作为控制光束的光源，优选使用可以以大于亚毫秒级的响应速度开启和关断的连续波(CW)振荡激光器.按波长增大的顺序列出的例子包括波长为405～445nm的蓝紫或蓝半导体激光；通过将半导体-激励的Nd:YAG激光器的波长为1064nm的光束通过二次非线性光学器件转化成532nm的绿光而得到的光束；635nm或670nm的红半导体激光；780nm或800nm的近红外激光.作为示出为在控制光束波段吸收而不吸收850nm或1550nm的近红外光的色素，例如，可以选择两种或多种这类色素，优选使用的是：例如，N，N′-二(2，5-二-叔丁基苯基)-3，4，9，10-二萘嵌苯二碳酰亚胺)[1]，

2，9，16，23-四-叔丁基-29H，31H-酞菁铜(11)[2]，

2，11，20，29-四-叔丁基-2，3-萘菁氧钒[3]，(Vanadyl2，11，20，19-tetra-tert-butyl-2，3-naphthalocyanine)

等等。
这些色素中的任一种具有高光阻性和耐热性，特别适于作为光吸收层膜的色素，用以形成本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中的热透镜。图22示出色素[1]，[2]，和[3]的四氢呋喃溶液的透射光谱，分别由实线、虚线和点划线表示。尽管在图22中未示出，在900～1550nm的近红外区，这些色素溶液的透射率为98％或更高。
控制光束激光器的振荡频率和这些色素的透射光谱间的关系如表1中所示。
表1

从表1可以看出，色素[1]优选作为吸收波长445～532nm的控制光束的热透镜形成器件的光吸收层膜材料。同样，色素[2]优选作为相应于波长635～670nm的光吸收层膜材料，色素[3]优选作为相应于波长780～800nm的光吸收层膜材料。通常将这些色素溶解在上述溶剂中，并将溶液加到光学室中，或通过将色素溶解在有机高分子材料中，将溶液夹在导热层膜间，或使色素在导热层膜上形成旋转涂覆膜或气相淀积膜，从而来使用这些色素。
当选择并使用两种或多种色素时，优选使用具有相应于各色素吸收波段的热透镜形成器件的光路切换机构，将这些机构从具有最短波长的机构开始连接。即，各色素的吸收波段和非吸收波段能够有效地重叠使用，例如，在二级结构中，色素[1]用于第一级的光路切换机构，色素[2]或色素[3]用于第二级，或者在三级结构中，色素[1]用于第一级，色素[2]用于第二级，色素[3]用于第三级。
[光吸收层膜材料的组成、光吸收层膜中的光吸收层膜厚度以及热透镜形成层的膜厚度]
在光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法所使用的热透镜形成器件中，光吸收层膜可为下述任何一种的叠层型薄膜：其可以是仅仅具有光吸收膜的单层膜结构，光吸收膜/热透镜形成层的双层结构，或是光吸收膜/热透镜形成层/光吸收膜的三层结构。优选地，光吸收层膜整体厚度以不超过已会聚的控制光束的共焦点距离(confocal distance)的两倍。此外，为获得更高的响应速度，包括叠层型薄膜的光吸收层膜的厚度优选不超过已会聚的控制光束的共焦点距离。
在这些条件下，光吸收层膜材料的组成及光吸收层膜中一个(1)或者两个(2)光吸收膜的厚度，可以相对于穿透光吸收层膜的控制光束及信号光束的透射率来设置。例如，在所述光吸收层膜材料的组成中，首先，确定吸收控制光束或信号光束的至少一个成份的密度，接着，设置光吸收层膜中的一个(1)或两个(2)光吸收膜的厚度，使得穿透热透镜形成器件的控制光束及信号光束的透射率能够达到特定的值。或者，可首先响应于器件设计上的需要，将光吸收层膜中的一个(1)或两个(2)光吸收膜的膜厚设定为特定值之后，随后可以再调整光吸收层膜材料的组成，使得穿透热透镜形成器件的控制光束及信号光束的透射率达到特定值。
本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中所使用的热透镜形成器件，为了尽可能以最低光学放大率实现充分大且高速度的热透镜效应，穿透光吸收层膜的控制光束及信号光束的透射率的最佳值分别如下所述。
在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中所使用的热透镜形成器件中，推荐对光吸收层膜中的光吸收成分的密度与存在状态进行控制、以及对光吸收层膜中的一个(1)或两个(2)光吸收膜的厚度进行设置，以使传播通过热透镜形成器件中的光吸收层膜的控制光束的透射率在90％至0％的范围内。
另一方面，在控制光束未照射时，推荐对光吸收层膜中的光吸收组成的密度与存在状态进行控制、以及对光吸收层膜中的一个(1)或两个(2)光吸收膜的厚度进行设置，以使传播通过热透镜形成器件中的光吸收层膜的信号光束的透射率下限为10％或更高，而其上限为尽可能接近100％。光吸收层膜中的热透镜形成层膜厚下限根据下述的热透镜形成层的材料来进行选择。
[光吸收层膜中热透镜形膜成层的材料及热透镜形成层的厚度]
尽管单层光吸收膜本身可用作热透镜形成层，但是其他材料可分担光吸收与热透镜形成的功能，并且可以通过层叠所选择的最佳材料来使用这些材料。
作为光吸收层膜中的热透镜形成层材料，可使用液体、液晶以及固体材料。特别地，热透镜形成层优选包括选自无定形有机化合物、有机化合物液体以及液晶的有机化合物。然而，在热透镜形成层的材料为液晶及液体的情况，通过可以保持自身形态的材料形成光吸收膜和/或导热层膜，并设置其大小与热透镜形成层厚度对应的空腔，并注入处于流体状态的热透镜形成层材料，以形成热透镜形成层。另一方面，在热透镜形成层的材料为固体的情况，通过将光吸收膜层叠在热透镜形成层的一(1)侧或两(2)侧上而形成光吸收膜。
热透镜形成层的材料亦可不为单材料，例如，可以由多个层叠的固体层形成，或者可以由层叠的固体与液体层形成。
热透镜形成层的厚度随所使用材料的种类的不同而有所不同，为数纳米至1mm的范围，更优选数十纳米至数百微米。
如上所述，优选的是热透镜形成层与一个(1)或两个(2)光吸收膜层叠而成的光吸收层膜的总厚度不超过已会聚的控制光束的共焦点距离的两倍。
虽然液体、液晶以及固体材料中的任何一种可用作光吸收层膜中的热透镜形成层材料，但材料的折射率应该呈现出高度的温度依赖性。
关于常见有机化合物液体与水的折射率的温度依赖性的材料特性值记载于文献(D.Solimini：J.Appl.Phys.，vol.37，3314(1966))中。对于波长633nm的光折射率的温度变化(单位：1/K)，在甲醇(3.9×10-4)等醇类中比在水中(0.8×10-4)大，而比在环戊烷(5.7×10-4)、苯(6.4×10-4)、氯仿(5.8×10-4)、二氯化碳(7.7×10-4)等非氢键有机溶剂中更大。
当使用液晶作为光吸收层膜中的热透镜形成层材料时，可使用公知的任意液晶.具体而言，下述材料可用作液晶：各种胆固醇衍生物；4’-烷氧基苯亚甲基-4-氰基苯胺，如4’-正丁氧基苯亚甲基-4-氰基苯胺和4’-正己基苯亚甲基-4-氰基苯胺；4’-烷氧基苯亚甲基苯胺，如4’-乙氧基苯亚甲基-4-正丁基苯胺、4’-甲氧基苯亚甲基氨基偶氮苯、4-(4’-甲氧基苯亚甲基)氨基联苯、和4-(4’-甲氧基苯亚甲基)氨基二苯乙烯；4’-氰基苯亚甲基-4-烷氧基苯胺，如4’-氰基苯亚甲基-4-正丁氧基苯胺和4’-氰基苯亚甲基-4-正己氧基苯胺；碳酸酯，如4’-正丁氧基羰氧基苯亚甲基-4-甲氧基苯胺、对羧基苯基正戊基碳酸酯、和正庚基4-(4’-乙氧基苯氧基羰基)苯基碳酸酯；4-烷基苯甲酸4’-烷氧基苯基酯，如4-正丁基苯甲酸4’-乙氧基苯基酯、4-正丁基苯甲酸4’-辛氧基苯基酯、和4-正戊基苯甲酸4’-己氧基苯基酯；氧化偶氮苯衍生物，如4，4’-二正戊氧基氧化偶氮苯和4，4’-二正壬氧基氧化偶氮苯；和4-氰基-4’-烷基联苯，如4-氰基-4’-正辛基联苯和4-氰基-4’-正十二烷基联苯；铁电液晶，如(2S，3S)-3-甲基-2-氯戊酸4’，4”-辛氧基联苯酯、4’-(2-甲基丁基)联苯-4-羧酸4-己氧基苯基酯、和4’辛基联苯-4-羧酸4-(2-甲基丁基)苯基酯.
当使用固体材料作为光吸收层膜中的热透镜形成层的材料时，特别优选的是使光散射少且其折射率的温度依赖性大的无定形有机化合物。具体而言，与上述基质材料相似，优选选择并使用称作光学树脂的化合物。根据技术情报协会编著，″Developmentand Properties of the Latest Optical Resins and Design and FormingTechniques of High-Precision Parts″[Technical InformationAssociation(1993)，p.35]，光学树脂的折射率的温度变化(单位：1/K)，例如：聚(甲基丙烯酸甲酯)为1.2×10-4；聚碳酸酯为1.4×10-4；聚苯乙烯为1.5×10-4。这些树脂优选用作光吸收层膜中的热透镜形成层的材料。
上述有机溶剂具有折射率温度依赖性大于上述光学树脂的折射率温度依赖性的优点。但是，有机溶剂具有的问题是，控制光束照射所造成的温度上升若到达有机溶剂的沸点，会使有机溶剂沸腾(使用高沸点溶剂时则无这种问题)。相比而言，即使在控制光束照射而使温度上升至超过250℃的严苛条件中也可使用挥发性杂质被彻底地除去的光学树脂，例如聚碳酸酯。
[绝热层膜]
当使用气体作为绝热层膜时，除了空气之外，优选使用氮气、氦气、氖气、氩气等惰性气体。
当使用液体作为绝热层膜时，可使用任意的液体，只要液体的热传导率等于或小于光吸收层膜的热传导率，液体可透射控制光束与信号光束，并且液体不溶解或腐蚀光吸收层膜材料即可。例如，当光吸收层膜含有青蓝色素的聚甲基丙烯酸甲酯时，则可使用液体石蜡。
当使用固体作为绝热层膜时，可使用任意的固体，只要是固体的热传导率等于或小于光吸收层膜(光吸收膜及热透镜形成层)的热传导率，可透射控制光束与信号光束，并且不与光吸收层膜或导热层膜的材料发生反应即可。例如，当光吸收膜含有青蓝色素的聚(甲基丙烯酸甲酯)时，则可使用不含色素的聚(甲基丙烯酸甲酯)(在300K的热传导率为0.15W/mK)。
[导热层膜的材料]
热传导率大于光吸收层膜的材料优选作为导热层膜的材料，当材料可透射控制光束与信号光束且不与光吸收层膜或绝热层膜发生反应时，可任意使用材料。作为热传导率高且在可见光波段中光吸收小的材料的例子包括例如：钻石(300K的热传导率为900W/mK)、蓝宝石(300K的热传导率为46W/mK)、石英单晶(在c轴的平行方向上，300K的热传导率为10.4W/mK)、石英玻璃(300K的热传导率为1.38W/mK)、硬质玻璃(300K的热传导率为1.10W/mK)等。
[光透射层材料]
在本发明所使用的热透镜形成器件中，如图11所示，用于会聚控制光束的折射率分布型透镜可以层叠在控制光束进入光透射层和材料的入射侧.对于这种透镜，可使用与绝热层膜和/或导热层膜类似的固体材料.光透射层被设置来不仅用于提高控制光束与信号光束的透射效率，而且还用于粘合折射率分布型透镜，以作为构成热透镜形成器件的部件.对于紫外线硬化树脂或电子束硬化树脂，特别优选使用在控制光束和信号光束的波段中具有高透射率的那些.
[热透镜形成器件的制作方法]
本发明所使用的热透镜形成器件的制作方法，可依热透镜形成器件的构造及使用材料的种类而选定，并可以使用任何适合的公知方法。
例如，在用于热透镜形成器件中的光吸收膜的光吸收性材料是上述单晶的情况下，可以通过切削、且抛光处理所述单晶来制作光吸收膜。
在另一个例子中，当制作具有“导热层膜/光吸收膜/热透镜形成层/光吸收膜/导热层膜”结构的热透镜形成器件时，其中所述光吸收膜包括含有色素的基质材料，组合包括光学树脂的热透镜形成层和作为导热层膜的光学玻璃，可利用以下所列举的任何一种方法先在导热层膜上形成光吸收膜。
使用一种方法，该方法利用比如施加法、刮刀式涂覆法、滚动涂覆法、旋转涂覆法、浸渍法、喷雾法等涂覆方法将溶解有色素及基质材料的溶液涂覆在用作导热层膜的玻璃板上，或者，使用如平版、凸版印刷、凹版印刷、油印、丝印、转印等印刷法将溶液压印在玻璃板上，从而形成光吸收膜。利用溶胶-凝胶法制造无机基质材料的方法也可以与上述方法结合使用以制备光吸收膜。
亦可使用比如电淀积法、电解聚合法、胶束电解法(micelleelectrolysis)(日本专利申请特许公开No.1988-243298)等电化学膜成形方法。
此外，亦可使用转移在水上形成的单分子膜的Langmuir-Blodgett法。
作为使用原材料单体的聚合或缩聚合反应的方法，当单体为液体时，可使用的方法是浇注法、反应注射成模法、等离子体聚合法以及光聚合法等。
其他可用方法包括热升华转印(sublimation transfer)法、气相淀积法、真空气相淀积法、离子束法、溅射法、等离子体聚合法、CVD法、有机分子束气相淀积法等。
可使用制造复合型光学薄膜的方法(参见，例如日本专利No.2599569)，在这种方法中，通过将处于溶液态或分散液态的两种或更多种成分的有机光学材料从为各成分设置的喷嘴喷进高真空容器内，使所述材料淀积在衬底上，并进行热处理。
用于制造固体光吸收膜的上述方法，也可以在例如制作由固体有机高分子材料所形成的绝热层膜时优选使用。
其次，在使用热塑性光学树脂制作热透镜形成层时，可使用真空热压法制造结构为“导热层膜/光吸收膜/热透镜形成层/光吸收膜/导热层膜”的热透镜形成器件(参见例如日本专利申请特许公开No.1992-99609)。即，将热塑性光学树脂的粉末或薄片包夹于两个导热层膜(玻璃板)间，其中每个导热层膜具有用上述方法在表面上形成的光吸收层膜，并加热、压合这些薄膜和树脂，从而制作上述构造的叠层型薄膜器件。
[用于制造折射率分布型透镜的材料与方法]
对于本发明所使用的热透镜形成器件，作为会聚控制光束的折射率分布型透镜可层叠设置在热透镜形成器件的控制光束进入光吸收层的入射侧。然而，公知的任意方法和材料可以用作制造这种折射率分布型透镜的材料与方法。
例如，可使用单体的渗透/扩散现象，利用有机高分子材料制造折射率分布型透镜(M.Oikawa，K.Iga和T.Sanada：Jpn.J.Appl.Phys，20(1)，L51-L54(1981)).即，利用单体交换技术在平坦的衬底上以单片形式形成折射率分布型透镜.例如，将作为较低折射率塑料的甲基丙烯酸甲酯(n＝1.494)自3.6mm直径的圆盘掩膜的周围，向具有高折射率的聚(间苯二甲酸二丙烯酯)(n＝1.570)的平坦塑料衬底中扩散.
此外，可使用无机离子的扩散现象，利用无机玻璃材料制造折射率分布型透镜(M，Oikawa和K.Iga，：Appl.Opt.，21(6)，1052-1056(1982))。即，在玻璃衬底上设置掩膜后，利用光刻技术将直径大约100μm的圆形窗设置到所述掩膜上，将带有掩膜的衬底浸渍在熔融后的盐中，以通过离子交换而形成折射率分布，通过在浸渍过程中持续施加数小时的电场以促进离子交换，形成例如直径为0.9mm、焦距为2mm、数值孔径NA＝0.23的透镜。
[光学室]
色素溶液填充型热透镜形成器件中所用的光学室的一个作用是容纳色素溶液，另一个作用是有效地为色素溶液提供形状，使所述色素溶液作为复合的光吸收层膜和热透镜形成层，此外，另一作用是接收会聚和照射的信号光束和控制光束，使信号光束和控制光束传播到上述光响应组合物，再一作用是在传输到光应答组合物之后，使信号光束发散传播并射出。
所述色素溶液填充型热透镜形成器件中所用的光学室形状大致可以分成“外部形状”和“内部形状”。
作为光学室的外部形状，根据本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构，使用板状、立方体状、圆柱状、半圆柱状、四棱柱状、三棱柱状等。
光学室的内部形状，即色素溶液填充单元的形状，能有效地给出色素溶液的形状。具体而言，根据本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构，光学室的内部形状适宜地选自例如薄膜状、厚膜状、板状、立方体状、圆柱状、半圆柱状、四棱柱状、三棱柱状、凸透镜状、凹透镜状等。
作为光学室的结构和材料，根据需要可以使用满足以下列件的结构和材料的任意组合：
(1)在实际应用条件下，精确保持上述外部形状和内部形状；
(2)材料对色素溶液而言是惰性的；
(3.)防止构成色素溶液的各成分因发散、渗透或浸透而发生组成变化；和
(4)防止色素溶液由于与使用环境下的气体或液体如氧，水等接触而发生降解。
作为光学室材料的具体例子，不论是何种色素都优选使用的材料包括各种光学玻璃，如钠玻璃、硼硅酸盐玻璃；石英玻璃；兰宝石等。当色素溶液的溶剂是水或醇时，也可以使用塑料，如聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚苯乙烯，聚碳酸酯等。
然而，在上述条件中，防止色素溶液组成变化和降解的作用仅在热透镜形成器件的设计寿命范围内适用。
可以使用具有将其他光学器件(会聚透镜，光接收透镜，波长选择滤光器等)并入光学室的集成结构的光学室。
[光束束腰直径的计算]
为了在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中有效利用热透镜效应，优选的是分别设定信号光束和控制光束的光束截面的形状以及大小，使得在焦点(会聚点)附近的光子密度最高的区域(即光束束腰)内的信号光束的光束截面面积的大小不超过光束束腰处的控制光束的光束截面面积的大小.
以下，描述行进方向中的光束截面的电场振幅分布即光通量能量分布是高斯分布的情况。在以下说明中，尽管是描述会聚透镜(折射率分布型透镜)用作光束会聚装置的情况，但是即使会聚装置是凹面镜或折射率分散型透镜时，所述说明也同样适用。
图14中示出了在利用图1所示的会聚透镜31等以2θ的发散角度会聚高斯光束时，焦点301附近的光束通量及波前300的示图。此处，将波长为λ的高斯光束的直径2ω达到其最小值的位置称为光束束腰，以下，将光束束腰直径以2ω0表示。由于光的衍射作用，2ω0不会成为0，其具有一有限值。光束半径ω和ω0的定义是通过测量从光束的中心到其能量相对于高斯光束的光束中心部分的能量的1/e2(e为自然对数的底数)的位置的距离而获得的长度，光束直径是以2ω或2ω0表示。很显然，在光束束腰的中心光子密度最高。
对于高斯光束，距离光束束腰够远的位置处的光束发散角度θ，与其波长λ及光束束腰半径ω0间，可具有如下述等式[4]的关系。

其中，π为圆的周长与其直径的比值。
当满足距光束束腰够远的条件下使用等式[4]时，可根据入射于会聚透镜的光束半径ω、会聚透镜的数值孔径及焦距，计算通过使用会聚透镜所会聚的光束束腰的半径ω0。
此外，在使用有效孔径半径“a”及数值孔径NA的会聚透镜将平行高斯光束(波长λ)会聚的情况下，光束束腰直径2ω0通常可以用下述等式[5]表示。

其中，由于系数k无法以代数方法解出，因此可利用针对透镜成像平面上的光强度分布进行数值解析计算来确定系数k。
当通过改变入射于会聚透镜的光束半径ω与会聚透镜的有效孔径半径a的比率并进行数值解析计算时，等式[5]中的系数k的值可以如下方式求出。
当a/ω＝1时
当a/ω＝2时
当a/ω＝3时和
当a/ω＝4时
即，随着光束半径ω比会聚透镜的有效孔径半径a越小，光束束腰半径ω0就越大。
例如，使用数值孔径为0.25、有效孔径半径约5mm的透镜作为会聚透镜，会聚波长为780nm的信号光束时，若入射于会聚透镜的光束半径ω为5mm，则a/ω大约为1，光束束腰的半径ω0计算为1.4μm。同样地，若ω为1.25mm，则a/ω大约为4，可计算出ω0为4.7μm。同样地，当会聚波长为633nm的控制光束时，若光束半径ω为5mm，则a/ω大约为1，光束束腰的半径ω0为1.2μm；若ω为1.25mm，则a/ω大约为4，可计算出ω0为3.8μm。
从上述计算例子可知，为使会聚透镜焦点附近的光子密度最高的区域，亦即光束束腰的光束截面面积最小，可以将光束直径扩大(扩束)，直到入射于会聚透镜的光束强度分布接近于平面波.此外，应该理解，在入射到会聚透镜的光束直径不变的情况，光波长越短，光束束腰直径就越小.
如上所述，为了在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中有效地利用热透镜效应，优选的是分别设定信号光束及控制光束的光束截面形状与大小，以使得光子密度最高的光束束腰附近区域中的信号光束的光束截面面积大小不超过控制光束的光束束腰的光束截面面积大小。在信号光束与控制光束同时使用高斯光束的情况下，可根据以上的说明及计算等式，在信号光束和控制光束被会聚透镜等会聚装置会聚前的平行光束状态下，根据波长而适当地将信号光束与控制光束的光束直径通过扩束等进行调整，使得在光子密度最高的光束束腰附近区域中的信号光束的光束截面面积大小不超过控制光束的光束束腰的光束截面面积大小。作为扩大光束的方法，可使用公知的方法，例如使用两个凸透镜所构成的开普勒(Keplerian)型光学系统。
[共焦点距离Zc的计算]
通常，高斯光束在通过比如凸透镜等会聚装置会聚的光通量的光束束腰的附近(即，焦点两侧共焦点距离Zc之间的部分)可被近似为平行光束。可利用使用圆周率π、光束束腰半径ω0及波长λ的等式[6]表示共焦点距离Zc。
Zc＝πω02/λ            …[6]
若将等式[5]代入等式[6]，则可得到等式[7]。

例如，当使用数值孔径0.25、有效孔径半径约5mm的透镜作为会聚透镜，会聚波长为780nm的信号光束时，若入射到会聚透镜的光束半径ω为5mm，a/ω约为1，光束束腰的半径ω0为1.4μm，则可计算出共焦点距离Zc为8.3μm。若ω为1.25mm，a/ω约为4，ω0为4.7μm，则可计算出共焦点距离Zc为88μm。同样地，当会聚波长为633nm的控制光束时，若光束半径ω为5mm，a/ω约为1，光束束腰的半径ω0为1.2μm，则可计算出共焦点距离Zc为6.7μm。若ω为1.25mm，a/ω约为4，ω0为3.8μm，则可计算出共焦点距离Zc为71μm。
[会聚透镜及光接收透镜的数值孔径]
在本发明的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法中，信号光束及控制光束由会聚透镜会聚并进行照射，使得这些光束聚焦在热透镜形成器件中。然而，在光接收透镜接收到以大于正常发散角度的发散角度从热透镜形成器件出射的光束，并被准直为平行光束时，优选的是，光接收透镜的数值孔径(以下称为NA)设定为大于会聚透镜的NA的一个NA。此外，优选的是光接收透镜的NA等于或大于会聚透镜的NA的两倍。然而，当在会聚透镜的有效孔径半径a大于入射到会聚透镜的光束半径ω(即a/ω＞1)的情况下，会聚透镜的实际数值孔径小于会聚透镜的数值孔径。因此，光接收透镜的数值孔径优选设定为比会聚透镜的实际数值孔径大，而不是会聚透镜的数值孔径，且等于或大于会聚透镜的实际数值孔径的两倍。通过将光接收透镜的NA设定为等于或大于会聚透镜的NA的两倍，即使信号光束的光束直径扩大至等于或大于入射到热透镜形成器件时的光束直径的两倍，也可无损失地接收信号光束。
[光吸收层膜的光学膜厚]
在不改变构成光吸收层膜的一个(1)或两个(2)光吸收膜的厚度的情况下，通过在改变热透镜形成器件的厚度时制作样品，并且对多个不同厚度和同样光学密度的热透镜形成器件进行实验而确定的实验结果揭示，当以如上所述计算的共焦点距离Zc的两倍作为光吸收层膜的膜厚上限时，热透镜效应的光响应速度足够高.
至于光吸收层膜的厚度下限，只要能够保持热透镜效应，光吸收层膜优选为尽可能薄。
[绝热层膜的膜厚]
绝热层膜的膜厚最佳值(上限和下限的值)是能够最大化光响应的幅度或速度的值。可根据热透镜形成器件的构造、光吸收层膜的材料及厚度、绝热层膜的材料、导热层膜的材料及厚度等，以实验方法来决定。例如，在使用普通硼硅酸盐玻璃作为导热层膜、聚碳酸酯作为绝热层膜及热透镜形成层的材料、铂萘菁的气相淀积膜作为光吸收膜而形成热透镜形成器件的情况下，其构造为：玻璃(导热层膜，其膜厚为150μm)/聚碳酸酯树脂层(绝热层)/铂萘菁气相淀积膜(光吸收膜，其膜厚为0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(热透镜形成层，其膜厚为20μm)/铂萘菁气相淀积膜(光吸收膜，其膜厚为0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(绝热层)/玻璃(导热层膜，其膜厚为150μm)，绝热层膜的膜厚优选为5nm～5μm，更优选为50nm～500nm。
[导热层膜的膜厚]
导热层膜厚度的最佳值是最大化光响应的幅度或速度的值(在这种情况下，只有下限值)。该值可根据热透镜形成器件的构造、光吸收膜的材料及厚度、绝热层膜的材料及厚度、导热层膜的材料等，以实验方法来决定。例如，在使用普通硼硅酸盐玻璃作为导热层材料、聚碳酸酯作为绝热层膜及热透镜形成层的材料、铂萘菁气相淀积膜作为光吸收膜形成热透镜形成器件的情况下，其构造为：玻璃(导热层，其膜厚为150μm)/聚碳酸酯树脂层(绝热层)/铂萘菁气相淀积膜(光吸收膜，其膜厚为0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(热透镜形成层，其膜厚为20μm)/铂萘菁气相淀积膜(光吸收膜，其膜厚为0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(绝热层)/玻璃(导热层膜，其膜厚为150μm)，导热层膜的厚度下限优选为10μm，更优选为100μm。导热层膜的膜厚上限不受光响应的幅度或速度限制。但必须设计其厚度，使得这个厚度与所使用的会聚透镜及光接收透镜的类型、焦距及工作距离相匹配。
实例
以下使用具体实施例结构，详细阐明本发明的优选实施例。
[实例1]
图1a中示出实施例1的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构示意图.图1a的光控制式光路切换型光信号传输装置包括一个信号光束光源20；其波长彼此不同且不同于信号光束120的波长的控制光束的三个光源21、22和23；用于使信号光束120和3个控制光束121、122和123的光轴对齐并使它们在同方向上同轴传播的分色镜51、52和53；用于组合信号光束120和3个控制光束121，122，和123并使它们进入光纤100的会聚透镜10；用于将信号光束120和3个控制光束121，122，和123一起传播的光纤100；用于使从光纤100出射的信号光束120和3个控制光束121，122，和123返回成基本上平行的光束的准直透镜30；和以三级结构串联连接的光路切换机构91，92，和93，包括热透镜入射光束会聚透镜(31，32，和33)，热透镜形成器件(1，2，和3)，热透镜出射光束接收透镜(41，42，和43)，波长选择和透射滤光器(81，82，和83)和设有孔的反射镜(61，62，，和63).从光路切换机构91和92输出的直线行进的信号光束111和112在空间组合，并入射到各个后级的光路切换机构91和92的热透镜入射光束会聚透镜32和33.随后，从第三级的光路切换机构93输出的直线行进的信号光束113被用于直线行进信号光束的会聚透镜401会聚，并进入用于直线行进信号光束的光纤101.假设在光路切换后，从光路切换机构91，92，和93出射的光路已被切换的信号光束211、212和213分别被各出射信号光束会聚透镜71，72，和73会聚，并分别进入到依次设置在光路切换点之后的信号光束光纤11，12，和13中.这里，可以使用普通单模石英光纤(10～100m长)作为光纤11，12，13，100，和101.作为单模石英光纤的替代，可以使用多模石英光纤，SI型塑料光纤，GI型塑料光纤等.可以根据控制光束和信号光束的透射率/传输距离特性来选择光纤.
光路切换机构的连接级的数量对应于波长彼此不同的信号光束的光源的数量。然而，可以连接的各级的数量可根据每级光路切换机构的信号光束的透射率、入射到光控制式光路切换型光信号传输装置的信号光束的初始强度、以及最终所需要的信号光束的强度来计算。例如，若每级光路切换机构的透射率为85％(信号强度衰减0.7dB)，则4个串联连接的级情况下的总透射率为52.2％(信号强度衰减2.8dB)。
以下，使用图1a所示的串联连接的3级结构的例子进行详细的说明。图7和图8示出了图1a的会聚透镜31和热透镜形成器件1的部分视图。此外，图9和图10示出了添加有光接收透镜41和设有孔的反射镜61的部分视图。此外，为了避免设置有3个或更多个光路切换机构的装置结构的视图过于复杂，在如图1a中所示光路切换机构91，92和93连接成空间连接型的情况下，空间连接型光路切换机构的结构示意图(图2a左侧的图)被部分地用符号表示，并以图2a右侧的图表示。即，例如，图1a的光控制式光路切换型光信号传输装置以部分符号化的图1b示意性地表示。因为除了表示方式不同外，图1a和图1b是具有相同内容的结构示意图，所以在下文中当不必区分图1a和图1b时，这些图简称为图1。
此外，2个(2)或多个光路切换机构连接成光纤连接型。然而，在这种情况下，各机构以省略了光纤连接型光路切换机构的结构示意图的图3表示。
尽管热透镜形成器件1被绘制成图1a～图3和图7～图10中的具有“导热层膜501/光吸收层膜503/导热层膜502”的三层结构的器件，但并不限于这种结构。
在此实施例中，作为热透镜形成器件1，2，和3，使用分别填充有上述色素[1]，[2]和[3]的溶液的色素溶液填充型热透镜形成器件800(图21)。作为溶解色素的溶剂，使用完全脱水和脱气的邻二氯苯。具有相同形状的光学室809被用于热透镜形成器件1，2，和3，其色素溶液填充单元808的厚度(即玻璃板801和802的入射面和出射面间的间距)可以为例如200μm。AR涂层被涂覆在光学室809的玻璃板801和802的入射面和出射面的外表面上。此外，在对色素溶液进行填充和脱气处理之后，熔融并密封光学室809的导入口807。将色素溶液的浓度调节在0.2～2wt.％，并针对每一种色素[1]、[2]和[3]进行调整，使得波长为532nm、670nm和800nm的透射率分为0.0～0.2％，波长为850nm的信号光束的透射率为85～99％。
在此实施例中，使用准直透镜30使从光纤100出射的入射信号光束110成为光束半径为5.0mm的近似平行光束。
在此实施例中，尽管使用调制在2.5GHz、振动波长为850nm的平面照射型半导体激光器作为信号光束120的光源20，但亦可使用振动波长为1350nm～1550nm并被调制在超高速上的半导体激光器.此外，可以同时使用具有多个波长的信号光束.在此实施例中，振动波长为532nm的二次谐波半导体激励Nd:YAG激光器，波长分别为670nm和800nm的半导体激光器用作照射控制光束121，122，和123的控制光束光源21，22，和23，使每个热透镜形成器件1，2，和3形成热透镜，并利用控制光束的打开和关闭来进行信号光束的光路的切换.对控制光束121、122及123进行成型和使用使得所述控制光束中的任何一个变成光束半径为4.5mm的平行光束.设置在各个会聚透镜31、32或33之前的控制光束光源的激光功率设为2～10mW.
以普通的会聚透镜31、32及33分别会聚控制光束121、122、123及信号光束110、111、112，并分别向热透镜形成器件1、2及3照射。利用分色镜51，52及53对控制光束及信号光束进行调整，以使得信号光束和控制光束在进入光纤100之前共轴并彼此平行，从而使得信号光束和控制光束的光束束腰在热透镜形成器件之中彼此重叠。通过执行这个步骤，可有效地利用由于控制光束的光束束腰位置处的光吸收而产生的热透镜效应，以偏转信号光束的行进方向。
其光强度分布是高斯分布的光束被用作信号光束和三个(3)控制光束。当利用透镜对这种激光光束进行会聚，光束束腰(会聚点或焦点)的光强度分布则成为高斯分布。当将其波长处于光吸收膜的吸收波段的激光用作控制光束，并通过会聚透镜照射到包含上述光吸收膜的热透镜形成器件，并被会聚在包含所述热透镜形成层的光吸收层膜中时，光吸收膜吸收该激光，并且热透镜形成层的温度上升，这将降低该层的折射率。当照射具有如上所述的高斯分布光强度的光束时，具有强光强度的高斯分布的中心部分被会聚，并且用光照射的区域成为光吸收中心，在此中心区域温度最高，且折射率最低。自光吸收中心区域向外周，光吸收变成热量，此外，由于向外传导的热量，包含热透镜形成层的光吸收层膜的折射率自光吸收中心向外部以球形方式变化，并且产生在光吸收中心的折射率低而向外部的折射率较高的折射率分布。这个分布相当于凹透镜功能。即，光在折射率较小的区域比在折射率较大的区域具有更高的速度，因此，当光束通过光强度较强的高斯分布中心部分所照射区域时的光速，大于当通过光强度较弱的高斯分布周边部分所照射的区域时的光速。因此，光束被偏转到光强度弱的高斯分布的周边部分所照射的区域的方向。这种操作与大气中的凸透镜的操作部分相同。在实际应用中，控制光束被会聚透镜31等会聚，并照射进含有热透镜形成层的光吸收层膜中。在会聚光束的行进方向上发生多次光吸收，并且行进的控制光束自身的光通量也被多次形成的热透镜变形。因此，所观察到的热透镜效应不同于稍后描述的单一凹透镜所产生的效应。
在此实施例中，使用光接收透镜41、42及43将通过热透镜形成器件1、2及3后的信号光束准直为近似平行光束。这些光接收透镜的数值孔径(称作“NA”)被设置为大于会聚透镜的NA。在此实施例中，会聚透镜的NA为0.25，光接收透镜的NA为0.55。优选的是，光接收透镜的NA等于或大于会聚透镜的NA的两倍。当满足此关系时，会聚透镜与准直透镜的NA组合并不限于此实施例。通过将光接收透镜的NA设为等于或大于会聚透镜的NA的两倍，即使信号光束的光束直径被扩束为等于或大于信号光束进入热透镜形成器件时的直径的两倍，也可以无损失地接收光束。在此实施例中，将会聚透镜与光接收透镜的焦距设为相同，并使用约10mm的直径作为会聚透镜的有效直径。
将经光接收透镜41、42及43准直后的信号光束导向到设有孔的反射镜61、62及63上。如稍后详述，通过设置这些设有孔的反射镜，可实现信号光束的光路的切换。
如图7(a)所示，当用其波长位于光吸收层膜的吸收波段的控制光束与其波长位于透射波段的信号光束同时照射，使得这些光束聚焦在热透镜形成器件1的光吸收层膜入射面附近的位置5时，则如图8(a)所示，由于在控制光束的入射面附近位置形成的热透镜50，信号光束作为被发散的出射光201以大于出射光200的正常发散角度的发散角度出射，使得所述光束的截面被扩散为环状。另一方面，如图7(b)所示，当用上述光束同时照射，使得所述光束聚焦在热透镜形成器件的光吸收层膜的出射面附近的位置6时，则如图8(b)所示，通过在控制光束的出射面附近位置形成的热透镜60，使信号光束作为会聚的出射光束119出射。图7(a)或图7(b)的任一实施例中，当没有控制光束的照射时，信号光束不受热透镜50或60的影响，并且仅仅作为出射光束200以正常发散角度出射，如图8(a)和图8(b)中的点状线所示。
为了研究上述热透镜效应，测量与热透镜效应的有无对应的信号光束的光束截面中光强度分布的差异、以及会聚点位置的差异。也就是，在图1或图9中示出的装置中，将光接收透镜41的数值孔径设为0.55，会聚透镜31的数值孔径设置为0.25；设置如图13示出的光强度分布测量器700，取代设有孔的反射镜61；用光接收透镜41接收穿过热透镜形成器件1的全部信号光束，并将所有信号光束作为平行光束引导进入上述光强度分布测量器的光接收单元701(其有效直径为20mm)；并且测量信号光束的光束截面的光强度分布。测量结果在图18、图19及图20中示出。此处，如图13所示，光强度分布测量器是一种下述器件：其在光接收单元701(其有效直径为20mm)中设置有宽度为1mm的第一狭缝702，沿第一狭缝的长度方向，即自点710至点720的方向，以恒定速度移动宽度为25μm的第二狭缝703，测量通过与两狭缝所形成的大小为1mm×25μm的矩形窗的与所述窗口的移动位置对应的光强度。为测量与上述窗口的移动位置对应的光强度，例如，可在储存式示波器上，与第二狭缝703的移动速度同步地记录用于接收通过上述窗口的光的检测器的输出。图18至图20显示如上所述的在储存式示波器上所记录的信号光束的光束截面的光强度分布。在这些图形中，横坐标(光束截面内的位置)相应于如下坐标系的位置：光接收单元701的中心为0，中心到点710的方向为负方向、中心到点720的方向为正方向，而纵轴表示光强度。
图18对应于图9(a)的情况，并且示出在没有控制光束进入热透镜形成器件1而仅有信号光束进入到热透镜形成器件1的情况下信号光束的光束截面的光强度分布。此情况下示出的光强度分布是这样一种分布：在中心部分的强度相对强，但越接近周边强度变得越弱(大致为“高斯分布”)。因此，当如图9(a)中所示设置具有足够大小的孔161的设有孔的反射镜61时，信号光束111全部通过反射镜61的孔161。此处，假设作为平行光束进入会聚透镜31(焦距为f1)的信号光束的光束直径为d1，且通过光接收透镜41(焦距为f2)而转化成为平行光束的信号光束111的光束直径为d2，则：
f1:f2＝d1:d2               …[8]
因此，d2可以按下式求得。
d2＝(f2/f1)×d1            …[9]
在实例1中，以相对于信号光束的光轴为45度的角度安放设有孔的反射镜61。通过孔161的信号光束的截面为圆形。因此，孔161的形状必须为短轴为D1、长轴为D2的椭圆，D1与D2的关系在下述等式[10]中定义。
$D_2=D_1\times \sqrt{2}...\left[10\right]$
此处，设有孔的反射镜61的椭圆孔161的短轴D1应大于由等式[9]所得出的信号光束111的光束直径d2。然而，当D1过大时，则由于控制光束的照射而扩散为环状的信号光束的一部份也会通过该孔161。也就是，D1的最佳值是d2的1.01～1.2倍，更优选为1.021～1.1倍。
在实例1中，会聚透镜31的焦距f1与光接收透镜41的焦距f2相同。因此，进入到会聚透镜31的信号光束110的光束直径d1与由会聚透镜调节成为平行光束的信号光束111的光束直径d2相同，如上所述均为10mm。因此，在实例1中设有孔的反射镜61的椭圆孔161的短轴D1优选为10.1mm～12mm，更优选为10.2mm～11mm，在实际应用中，确定为10.5mm。使用等式[7]将D2确定为14.8mm。至于反射镜的大小，使用大小为(50×50mm)的可将直径为30mm的光束45度反射的反射镜。
图19示出了将焦点(会聚点)设定为热透镜形成器件1的会聚透镜31附近的位置5(光束的入射侧上)并照射控制光束时信号光束的光束截面上的光强度分布。此情况下的光强度分布是这样一种分布：在中心部分的光强度最弱、周边以环状方式增强。信号光束的光束截面中心部分的光强度根据控制光束的光强度以及热透镜形成器件1与焦点间的位置关系而减少，随着控制光束的光强度的增加，信号光束的光束截面中心部分的光强度趋近于零(0)。信号光束的光强度变为最大的位置是一个大于初始光束直径的值(约15mm的直径)。
与图20对应的热透镜效应的使用将结合实例2进行描述。
综上所述，在图8(a)的光学配置中，对应于控制光束照射的有无，通过热透镜形成器件的信号光束的光束截面的光强度分布在图19的环状分布(控制光束照射的情况)与图18的高斯分布(控制光束未照射的情况)之间切换，通过适合于此信号光束的光束截面光强度分布形状的设有孔的反射镜，可将这两种信号光束的光束截面的光强度分布分别拾取，从而能够进行信号光束的光路的切换。
在实例1中，可以相对于信号光束的光轴成45度的角度安装设有孔的反射镜61。设有孔的反射镜61的镜面是通过溅射方法在玻璃面上制成的介电多层膜，并被调整成使得其反射率在信号光束的波长时最大。设有孔的反射镜61的孔161部分是通过形成以45度倾斜穿过玻璃的椭圆形孔来制成的。或者，不用形成孔，可以不粘帖椭圆形状的反射膜，但由于玻璃面对入射光有数个百分比的反射，会引起信号光束的衰减及串扰，故优选为形成孔。为了防止光散射等引起杂散光等，优选的是处理孔的内表面，使得不产生反射。此外，反射膜不限于介电多层膜，可以使用可反射控制光束与信号光束的任何材料，例如金、银等。
如图1所示，通过所述光路的切换，通过将信号光束自初始方向偏转90度而拾取的信号光束(切换信号光束)211、212及213，由会聚透镜71、72及73进行会聚而引导入射到光纤11、12及13中。
当控制光束的光源21、22及23全部关断时，信号光束未经受热透镜效应，并且作为信号光束111、112与113出射。利用会聚透镜401将出射信号光束113会聚而引导入射到光纤101中。
所述信号光束可以被引导进入到光检测器中而不是光纤11、12、13或101中，将光束转换为电信号，并且将其拾取出。
此处，只要热透镜形成器件1、2及3中的控制光束的透射率不为0％，则与透射率对应的控制光束的量就穿过热透镜形成器件1、2及3而出射。为了避免控制光束进入后级的热透镜形成器件而产生误操作或串扰，需要使热透镜形成器件1、2及3的控制光束的穿透率无限接近0％。此外，优选在热透镜形成器件1、2及3后或会聚透镜41、42及43后设置波长选择和透射滤光器81，82，和83。作为这种波长选择和透射滤光器，可使用任意的公知滤光器，只要它能够完全阻断每个控制光束的波段中的光、同时可使信号光束和后级的光路切换机构的控制光束的波段中的光有效地透射。例如，可使用以色素着色的塑料或玻璃，在表面设置有电介质多层膜的玻璃等。可以利用涂覆法、溅射法等在会聚透镜41、42及43的表面上形成包含波长选择和透射滤光器所用的材料的薄膜，并且使其实施作为波长选择和透射滤光器的功能。
本实例的光控制式光路切换型光信号传输装置，是一种分别包括会聚透镜、热透镜形成器件、光接收透镜和设有孔的反射镜的光路切换机构，并且以三级结构串联连接所述构成。因此，在控制光束全部关断的情况下，信号光束是直线行进且进入光纤101，相反，在将控制光束21打开时光路被切换且信号光束211被出射到光纤11中，在控制光束21关闭且控制光束22打开时，信号光束212出射到光纤12，在控制光束21及22关闭而控制光束23打开的情况下，信号光束213出射到光纤13。使用其中打开多个控制光的实例对下面的实例进行描述。
使用实例1的光控制式光路切换型光信号传输装置，为了测量第一级中的光路切换机构的光响应速度，连续光束被用作信号光，同时频率数为Hz到100Hz、占空比为1∶1的方波间歇光束作为控制光束121进行照射，并比较光路已经切换的信号光束的强度振幅大小。
在图15及图16中示出了通过将来自图1所示的控制光束光源21的控制光束121导向光检测器而在示波器上测量的控制光束的波形1210，以及通过导向与控制光束121的打开和关闭对应而进行光路切换的信号光束211而在示波器上测量的信号光束的波形1220。图16的纵轴是将图15的纵轴的三倍。打开和关闭控制光束121的方波的频率设定为200Hz至100kHz，并且在图17中示出测量在该情况下与打开和关闭所述控制光束对应的信号光束的波形1220的幅度L的结果。
如图15中所示，打开和闭合控制光束121(图1)的方波的频率是500Hz，假设与此种情况下的打开和关闭控制光束对应的信号光束的波形1220的振幅L为1作为参考，则对于打开和关闭控制光束121(图1)的方波的频率范围0.2至2kHz，振幅L近似为1。即，可确认的是，可以在500微秒内进行完全的光路切换。这是一种高速响应，其速度为使用以电加热器造成热光学效应的光开关(响应速度为毫秒级)的速度的两倍或更快。
作为进一步提高频率的情况的例子，在图16中示出了频率为20kHz的信号光束的波形1220。从图16中可知，若在热透镜效应所形成的光路切换未完成之前将控制光束关闭，则信号光束的波形成为锯齿状，并且振幅L会减小。即，当大于热透镜效应的响应速度时，光路的切换不完全，信号光束的一部分的路径未被切换且所述部分直线行进。
与针对上述第一级光路切换机构进行的光响应速度测量相同，对第二级和第三级的光路切换机构进行测量，其中打开和关闭控制光束122和123，响应速度与第一级的响应速度相同.
为了测量实例1的光控制式光路切换型光信号传输装置的耐久性，连续光束被用作信号光束，频率为1kHz、占空比为1∶1的方波间歇光束被用作控制光束121、122和123进行照射。比较光路已经切换的信号光束的随时间变化的强度振幅。结果是，即使经过10000个小时的连续操作后，信号光束的强度振幅也不会衰减。
为了验证实例1的光控制式光路切换型光信号传输装置的偏振依赖性，将一个偏振器件插入到信号光束及控制光束中，并且进行其中偏振角发生改变的实验。然而，根本观察不到偏振依赖性。
为检查实例1的光控制式光路切换型光信号传输装置中，出射的直线行进光束和光路切换光束之间的串扰特性，在全部控制光束关闭的情况下，在仅有控制光束的光源21打开的情况下，在仅有控制光束的光源22打开的情况，在仅有控制光束的光源23打开的情况下，比较光纤101，11，12，和13的出射光束的光强度。发现的是，泄漏光(串扰)强度与有用的出射光强度的比为2000～8000∶1(-33～39dB)，非常弱。
[实例2]
图20示出了信号光束的光束截面上的光强度分布的一个例子，其对应于图8(b)和图10(b)所示的光学配置的情形，并且示出了在将焦点(会聚点)设定在接近图7(b)所示的热透镜形成器件的光接收透镜41附近的位置6(光的出射侧)且照射控制光束的情况下，在信号光束的光束截面上的光强度分布。在此种情况中，中心部分的光强度较未照射控制光束的情况的中心部分的光强度(图18)更强。在此种情况中，信号光束的光束截面的中心部分的光强度依赖于控制光束以及热透镜形成器件1与焦点6的位置关系，有控制光束时的中心部分的强度数倍于控制光束未照射时的光强度。
因此，当在比如本实例中的配置中设置设有孔的反射镜61时，则大部份的信号光束通过设有孔的反射镜61的孔161。此处，若将设有孔的反射镜61(和62和63)的孔161大小优化(在实例2中，直径为2mm)，则由设有孔的反射镜61反射的信号光束的部分基本上减到0。然而，在未照射控制光束的情况下(图9(a)和图8)，即使将设有孔的反射镜61的孔161大小优化，仍无法防止图10(a)所示的信号光束的中心部分作为泄漏的信号光束118穿过孔161。即，在实例2的光控制式光路切换型光信号传输装置中，在信号光束的光束截面的光强度分布是高斯分布或接近于高斯分布的情况下，一定量的泄漏信号光束118(串扰)也必然被产生到图10(a)的信号光束211上。
因此，通过改变入射到热透镜形成器件的信号光束的光束截面的光强度分布，可使这种泄漏信号光束基本上降到0.即，容易的是，在使用准直透镜30对从光纤100出射的信号光束110进行整形后，可使用图1和图2b所示的包括圆锥棱镜型透镜等的光束截面整形成环状的透镜组321，将信号光束的光束截面的光强度分布调整为与图19对应的环状.在利用会聚透镜31对在其截面上具有此种光强度分布的信号光束110进行会聚，使得信号光束110通过焦点位置6(图10(a))，和信号光束110通过热透镜形成器件1后，使用光接收透镜41将信号光束110恢复为平行光束.随后，所述信号光束110的光束截面的光强度分布具有环状分布，在该环状分布中，接近其周边的部分强度较高，而与图19对应的中心部分中心部分的强度基本上为0.因此，当安装设有孔的反射镜61时，通过孔161的信号光束的泄漏基本上消除.即使信号光束的光束截面的光强度分布假设为这种环状，如图9(b)所示，在通过照射控制光束以临时地形成热透镜60时，信号光束的光束截面的光强度分布可以成为尖锐状光束的形状，并且信号光束作为会聚的直线行进信号光束119通过设有孔的反射镜61的孔161.
在图10例示的光学配置中，通过将控制光束及信号光束的焦点调整成为接近热透镜形成器件的出射侧的位置6，并进一步使信号光束的光束截面的光强度分布成为环状，可以在控制光束未照射时，使信号光束的光路从其原始的行进方向改变90度，并使信号光出射。同样，当照射控制光束时，信号光束可以直线行进。
实例2的光控制式光路切换型光信号传输装置是一种用图2b所示的光路切换机构191代替实例1的光路切换机构91，92，和93(图1)所成的装置，其中信号光束和控制光束的焦点(会聚点)设置在接近热透镜形成器件1的光接收透镜41的位置6(光的出射侧)，以及其中设有孔的反射镜61的孔161比实例1的孔小，即其直径为2mm。在这种情况下，为了将信号光束和控制光束的焦点(会聚点)设置在接近热透镜形成器件1的光接收透镜41的位置6(光的出射侧)，优选的是热透镜形成器件的光吸收层膜中的控制光束的透射率为1～5％。当入射到光路切换机构191的信号光束110的光束截面的光强度分布是高斯分布或与高斯分布相似并且不是环状时，优选使用包括圆锥棱镜型透镜等的光束截面整形成环状的透镜组321，将信号光束的光束截面的光强度分布调整为环状。此外，在信号光束和控制光束同时照射的情况下，因为从控制光束的光吸收产生的热透镜60出射的会聚的直线行进信号光束119的光束直径较小，因此当信号光束119在后级会聚时，其光束束腰会相当大。为避免这种情况，优选的是使用扩束器331通过将信号光束119半径扩大到与入射信号光束110半径等大的5mm，使会聚后的直线行进信号光束119作为信号光束111出射。
接下来说明实例2的光控制式光路切换型光信号传输装置的打开和关闭控制光束121，122，和123的组合以及光路切换间的关系。当至少关闭控制光束121时，信号光束110被设有孔的反射镜61的反射面反射，作为光路切换的信号光束211出射，并被会聚透镜71会聚，并且进入光纤11。当打开控制光束121时，在作为会聚的直线行进信号光束119通过设有孔的反射镜61的孔161后，使用扩束器331将信号光束110扩大成光束直径等于入射信号光束110的直径的光束，并进入第二级的光路切换机构192(图4)。当打开控制光束121并关闭控制光束122时，信号光束111作为光路切换光束212出射并进入光纤12。当同时打开控制光束121和122时，信号光束直线行进，并作为信号光束112进入第三级的光路切换机构193(图4)，当同时打开控制光束121和122并关闭控制光束123时，信号光束作为光路切换光束213进入光纤13。当控制光束121，122，和123全部打开时，信号光110最终作为直线行进信号光束113出射，由会聚透镜401会聚，并进入光纤101。
为了测量实例2的光控制式光路切换型光信号传输装置的光响应速度，连续光被用作信号光束，频率为数Hz到100Hz、占空比为1∶1的方波间歇光束作为控制光束121进行照射，并比较光路已经切换的信号光束的强度振幅大小.结果是，相对于1Hz时的信号光的强度振幅，到2kHz为止，强度振幅都没有变化，当进一步提高频率时，强度振幅则逐渐衰减，至10kHz时减为其原始振幅的一半.即，可以确认的是，在500微秒内可进行完全的光路切换.这是一种高速响应，其速度是使用以电加热器造成热光学效应的光开关的速度的两倍或更快.当相似地打开和关闭控制光束122和123时，也观察到与打开和关闭控制光束121情形时相似的响应速度.
为了测量实例2的光控制式光路切换型光信号传输装置的耐久性，连续光被用作信号光束，频率为1kHz、占空比为1∶1的方波间歇光束作为控制光束121、122和123进行照射。比较光路已经切换的信号光相对于时间的强度振幅大小。结果是，即使经过10000个小时的连续操作，信号光束的强度振幅亦不会衰减。
为检查实例2的光控制式光路切换型光信号传输装置中，出射的直线行进光束和光路切换光束之间的串扰特性，在全部控制光束关闭的情况下，在仅有光束121打开的情况下，在仅有光束121和122打开的情况下，在控制光束121，122，和123全部打开的情况下，比较光纤101，11，12，和13的出射光束的光强度。发现的是，泄漏光(串扰)强度与有用的出射光强度的比为1000～2000∶1(-30～33dB)，非常弱。
[实例3]
改变实例1的设有孔的反射镜61的安装角度(相对于信号光束110的光轴为45度)，并通过根据使用基于安装角度的三角函数的计算结果确定椭圆状孔161的形状(长轴的长度相对于短轴的长度)，可在约5度至175度的范围内自由改变信号光束110相对于光轴的光路切换的角度。在第二级和后面级中以相似方式改变设有孔的反射镜62和63的安装角度。
此外，通过使用信号光110的光轴作为旋转轴来旋转设有孔的反射镜61的安装位置，并据此调整会聚透镜71等的位置，亦可在0～360度的范围内自由改变信号光束110相对于其光轴的光路切换方向。在第二级和后面级中以相似方式改变设有孔的反射镜62和63的安装位置。
[实例4]
图5示出了实例4的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构示意图。在图5中，信号光束的光源20，控制光束的光源21、22和23，分色镜51、52和53，会聚透镜10，光纤100和准直透镜30与实例1中的那些相同。
图5的光控制式光路切换型光信号传输装置是在以光纤101，102，103，104，13，14，15，和16作为目的地的八(8)个方向之间切换信号光束120的光路的装置，使用通过在空间结合方案中将一(1)个光路切换机构加入到实例1中第二级的光路切换机构92/与之连接和将三(3)个光路切换机构加入到第一级的光路切换机构91的后级/与之连接而形成的总共7个光路切换机构，其中三(3)种控制光束同时打开和关闭的组合。也就是，就原理而言，通常，假设n是2或更大的整数，通过连接2n-1光路切换机构与n类控制光束的打开和关闭状态组合，可以在2n方向切换光路。在实用中，实际组合级的数量由光路切换机构每1级的信号光束的透射率的组合来确定。当光路不能被光路切换机构切换的“直线行进信号光束”的透射率为85％(信号强度衰减0.7dB)和光路被切换的“切换的信号光束”的衰减因子为80％(信号强度衰减1.0dB)时，信号光束直接通过光路的总透射率为61.4％(信号强度衰减2.1dB)，3级的光路切换总透射率为51.2％(信号强度衰减2.9dB)。3类控制光束121，122和123同时打开和关闭的组合以及出射信号光目的地在表2中示出。
表2

作为第一级中的光路切换机构91的热透镜形成器件，与实例1相似，使用的色素溶液填充型热透镜形成器件填充有可以吸收波长为532nm的信号光束121的色素[1]溶液。波长透射率特性也设置为与实例1中的相同。
作为第二级中的光路切换机构92(与光路切换机构91的直线行进光束111空间耦合)和95(与光路切换机构91的切换光束211空间耦合)的热透镜形成器件，在任一情况下，与实例1相似，使用的色素溶液填充型热透镜形成器件填充有可以吸收波长为670nm的信号光束122的色素[2]溶液。波长透射率特性稍后进行描述。
作为第三级中的光路切换机构93(与光路切换机构92的直线行进光束112空间耦合)，94(与光路切换机构92的切换光束212空间耦合)，96(与光路切换机构95的切换光束215空间耦合)和97(与光路切换机构95的直线行进光束115空间耦合)的热透镜形成器件，在任一情况下，与实例1相似，使用的色素溶液填充型热透镜形成器件填充有可以吸收波长为800nm的信号光束123的色素[3]溶液。波长透射率特性稍后进行描述。
这里，在与来自前级的光路切换机构的直线行进光束耦合的后级的光路切换机构92、93和97中，与实例1的光路切换机构相似，调整信号光束和控制光束，使得这些光束聚焦在与图7(a)和图9对应的位置5，即接近热透镜器件的光吸收层膜的入射表面的位置，此外，将设有孔的反射镜61等的孔161等的大小设置为与实例1的相等。其结果是，前级的光路切换机构的直线行进光束能够直线行进，或被后级的光路切换机构切换。在光路切换机构92、93和97中，各控制光束的透射率被调整到0.0～0.2％，波长为850nm的信号光束的透射率被调整到85～99％。
另一方面，在与前级的光路切换机构的光路切换光束(光束具有环状截面)耦合的光路切换机构94、95和96中，与实例2的光路切换机构191相似，调整信号光束和控制光束，使得这些光束聚焦在与图7(b)和图10对应的位置6，即接近热透镜器件的光吸收层膜的出射表面的位置，此外，将设有孔的反射镜61等的孔161等的大小设置为与实例2的相等。然而，在光路切换机构191中未提供光束截面整形成环状的透镜组321(图2b)，因为光路切换的环状信号光212，211，和215分别被空间连接，并从前级的光路切换机构进入光路切换机构94，95，和96，同时保持环状。另一方面，光路切换机构94，95，和96分别设置有用于扩散会聚的直线行进信号光119的光束直径的扩束器331(图2b)。
其结果是，来自前级的光路切换机构的具有环状截面的光路切换光束能够直线行进，或被后级的光路切换机构切换.在光路切换机构94、95和96中，各控制光束的透射率被调整到1.0～5.0％，波长为850nm的信号光束的透射率被调整到85～99％.
从第三级(最终级)的光路切换机构出射的直线行进光束113，114，116和117分别被会聚透镜401，402，403和404会聚，并分别进入出射信号光光纤101，102，103和104。同时出射的光路切换的光束213，214，216和217分别被会聚透镜73，74，75和76会聚，并分别进入出射信号光光纤13，14，15和16。这些光纤的规格与实例1中的相同。
对于实例4的光控制式光路切换型光信号传输装置，按与实例1相同的方式测量第一至第三级的光路切换机构的光响应速度，并且得到相同结果。
按与实例1相同的方式测量实例4的光控制式光路切换型光信号传输装置的耐久性，对于任一路切换机构，即使经过10000个小时的连续操作，信号光束的强度振幅亦不会衰减，证实具有高耐久性。
为了验证实例4的光控制式光路切换型光信号传输装置的偏振依赖性，将一个偏振器件插入信号光束及控制光束中，并且进行其中偏振角发生变化的实验。在测量结果中，根本观察不到偏振依赖性。
为验证实例4的光控制式光路切换型光信号传输装置中，8个出射的信号光束的串扰特性，对于表2所示的控制光束打开和关闭的8种组合，比较光纤13，14，15，16，101，102，103，和104的出射光束的光强度。泄漏光(串扰)强度与有用的出射光强度的比为1000～8000∶1(-30～39dB)，非常弱。
[实例5]
图6示出实例5的光控制式光路切换型光信号传输装置的结构示意图。实例5是一种用光纤连接型光路切换机构910，920，930，940，950，960，和970(所有的与图3相应)替换实例4的光控制式光路切换型光信号传输装置中的空间连接型光路切换机构91，92，93，94，95，96，和97(与图2a或图2b相应)所成的装置。在所有的光纤连接型光路切换机构中，与实例1的光路切换机构相似，调整信号光束和控制光束，使得这些光束聚焦在与图7(a)和图9对应的位置5，即接近热透镜器件的光吸收层膜的入射表面的位置，此外，将设有孔的反射镜61等的孔161等的大小设置为与实例1中的相等。在所有的光纤连接型光路切换机构中，热透镜形成器件的材料和透射率与实例1中的相似。连接每一光纤连接型光路切换机构的光纤长度设置为10～100m，与家庭、医院、办公室等设备中的一般用途相对应。
为补偿光纤连接造成的控制光束的损失，在所有级的光路切换机构中，通过提高控制光束光源21，22，和23的输出功率将入射到热透镜形成器件的控制光束的功率调整到2～5mW。此外，也调整信号光束光源的输出功率，使得8个出射信号光中的每一个信号光束具有足够的功率。
第三级的光路切换机构930，940，960，和970的直线行进出射信号光束通过光纤和准直透镜进入光接收装置1013，1014，1016，和1017，光路切换的信号光通过光纤和准直透镜进入光接收装置2013，2014，2016，和2017。
实例5中3类控制光束121，122和123同时打开和关闭的组合以及信号光出射目的地的光接收装置在表3中示出。
表3

按与实例4相似的方式测量实例5的光控制式光路切换型光信号传输装置的光响应速度、耐久性、偏振电磁波依赖性和串扰，结果与实例4中的相同或更好。
根据本发明，所提供的光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法可以在高速下操作，耐久性性，没有偏振电磁波依赖性，不须使用电路或任何机械移动部件。
工业实用性
有利的是，所述光控制式光路切换型光信号传输装置和光信号光路切换方法能够例如在用于在公司办公室、工厂、医院、普通家庭等多个用户中高速地将大量数字信息如高精细图像数据、高精细活动图像数据等从服务器传输到特定用户的系统中使用。

发明背景