CN100588284C - 光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法 - Google Patents

Abstract

在数据通信单元1100中，首先通过数据发送/接收控制单元1140将待从数据服务器设备1000发送到客户端设备1201，1203等的每一个上的数据12010，12020等分割成电信号分组；由此将电信号顺序标签添加到每一个电信号分组上，然后通过光信号发送单元1120转换成光分组12011，12021等，并通过光信号通路1110发送。在光开关1101处，通过与光分组同步的且由光信号发送单元1120照射的光目的地标签12111，12121等的动作，将所述分组的光路切换到光信号通路1111，1112等。在光信号接收单元1131，1132等处，将接收的光分组转换成电信号分组，并且由数据发送/接收控制单元1141，1142等根据电信号分组中的顺序标签所记录的重组顺序上的识别信息，重组原始数据12010，12020等，并作为电信号分布到客户端设备1201，1202等。

Description

光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法。更具体而言，本发明涉及一种光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法，用于使用光分组通信系统将大量如高清晰度图像数据，高清晰度运动图像数据等的数字数据从服务器分布到在公司办公室、工厂、医院、普通家庭等中的多个客户端中的特定客户端。

2.技术背景

由于个人计算机和其外围设备的急剧发展，每天都需发送不可想象的大量数字数据，包括数字化和记录的高清晰度静止图像和运动图像。例如，当常规彩色电视节目被数字化并记录在个人计算机中的硬盘型存储单元上或记录在家庭的如DVD的光学记录介质上时，放映每一小时都需要处理具有几千兆字节的数据的大量数字数据。此外，随着诊断医疗仪器的发展和改进，例如需要使用由1600×1200像素或更多像素表示的超高清晰度静止图像和高画质数字图像来检测早期癌症。一个实例是，通过在显示屏上组合其中每一图像具有1600×1200像素的1000个人体的切片图像来渲染三维图像，可以检测1mm或甚至更小的肿瘤生长。

近来，由于常规硬盘型存储单元的容量增大，记录这种高清晰度静止图像和运动图像不是很大问题。然而，即使使用能够以每秒1吉比特传送的高速LAN，将图像数据快速转送或发送到远程地点(医院内的另一房间，大学医院的教室和远程治疗的另一地点)仍然需要几分钟到几十分钟。因此，首先将这种大容量数字数据转送至比如DVD的光学记录介质，然而，需要大量时间记录数据并物理地传输记录介质。然而，由于医疗用途需要电磁兼容性，因此期望大量数字数据能够以光信号的形式从配备有电磁屏蔽的发送设备发送到也配备有电磁屏蔽的接收设备，而在传输通路中不使用任何电信号。为最小化与高速数字数据的发送和接收以及传输通路的切换相关的电磁波的产生，以及进一步消除源自外部源的电磁波的干扰，这种配置是优选的。

目前，数据通信速度为10～40Gbps/秒量级的批量制造的光收发器已可以得到，并成功地在其中通过光纤来连接其数据发送侧和接收侧的数据分布装置中工作。在使用光信号的数据递送领域中，最强烈希望的技术研发是光路切换单元(光开关)或不需使用电信号的光-光直接切换单元，以在将数据从数据分布装置(服务器)高速分布到特定客户端设备中使用。

用于切换在空间传播的光的通路(光路)的公知装置和方法，包括例如在光波导内或光波导间切换光路的空间分割(space division)型；通过根据波长针对多个光路分割复用的具有多个波长的光束而切换该复用的光束的波分复用型；切换按恒定时间间隔时分复用的光束的光路的时分复用型；利用反射镜或快门等分割和空间耦合在空间中传播的光束的光路的自由空间(frees pace)型。可以复用所述多种方案中的每种，并且组合使用多个不同的方案。

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束的光开关等。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束的强度或频率的全光型光学器件或光学控制方法。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TetsuoMoriya，″Formation，Structure Evaluation and Photo-MaterialProperty of Associated/Aggregated Pigment″，Journal of ElectronicTechnology General Institute，Electronic Technology GeneralInstitute，Agency of Industrial Science and Technology，Ministry ofInternational Trade and 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)的器件正在开发，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在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而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。

本发明人的在先专利申请中公开了一种没有偏振电磁波依赖性的光路切换装置和光路切换方法，在该光路切换装置和光路切换方法中，可以自由设定切换光路的角度和方向，信号光束的光强度的衰减小，且可多重连接使用；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，而另一种状态是，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其正常发散角度之后，直线穿过反射镜上的孔；另一方面，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且发散的信号光束保持不变，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(参见日本专利申请No.2002-275713和No.2004-44991。)

发明内容

本发明有利地提供一种涉及光分组通信系统的光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法，其不具有机械组件，可以高速操作，耐久性高，并且没有偏振电磁波依赖性，并且不产生电磁波干扰且本身也不受电磁波影响。

为了实现上述优势，本发明提供一种光控制式光路切换型数据分布装置，用于将数据从数据服务器设备提供到从多个客户端设备中选出的一个或多个特定客户端设备。所述装置包括至少一个数据服务器设备，数据通信单元，和客户端设备，其中数据通信单元包括至少一个光开关、光信号通路、光信号发送单元、光信号接收单元，和数据发送/接收控制单元，所述光信号发送单元包括：至少一个信号光束光源，用于照射具有一种或多种波长的信号光束，和控制光束光源，响应于来自数据发送/接收控制单元的控制信号，用于照射具有一种或多种与信号光束的波长不同的波长的控制光束，所述光开关包括至少一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控制光束，用于将控制光束和信号光束分别会聚和照射到所述光吸收层膜中的每一个上的装置，一个或多个热透镜形成器件，用于响应于是否存在一种特定波长的控制光束的照射，通过使用含有光吸收层膜并基于由于在已经吸收一种特定波长的所述控制光束的所述光吸收层膜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，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特定波长的控制光束的照射，用于使从所述热透镜形成器件出射的信号光束穿过所述孔或用于通过使信号光束的光路偏转来由反射装置反射信号光束的光路。

本发明的另一种光控制式光路切换型数据分布装置包括上述装置，其中所述数据通信单元至少照射并传输已被分割成光分组的任意大小的数字信息，其中每一个光分组含有固定长度或可变长度的光数字信号作为信号光束，并且与照射光分组同步地照射代表每一个光分组的目的地客户端设备的识别信息的光标签作为控制光束，来致动光开关。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种方法，包括：使用于传输转化成光信号的数据的具有一种或多种波长的信号光束和根据数据传输目的地从控制光束光源照射的并具有一种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传播；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地吸收仅仅一种特定波长的控制光束的一个或多个光吸收层膜中的每一个上；在含有光吸收层膜的一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膜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所述一种特定波长的控制光束的照射，使会聚的信号光束依其原样出射或以大于正常发散角度的发散角度出射，或以其正常发散角度出射；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，使从热透镜形成器件输出的信号光束直线通过所述孔或通过在反射面处反射信号光束而改变其光路；将数据分布到在多个客户端设备中选出的一个或多个特定客户端设备。在包括上述方法的本发明的光控制式光路切换型数据分布方法中，信号光束可以传输含有已分割成一组固定长度或可变长度的数字信号的任意大小的数字信息的分组，作为光分组；与照射光分组同步地照射控制光束，作为代表每一个光分组的目的地客户端设备的识别信息的光标签，从而改变光分组的光路。

在本发明的光控制式光路切换型数据分布装置中，该数据服务器可以将数字式静止图像或运动图像分布到从多个客户端设备中选出的一个或多个特定客户端设备中。

在上述本发明的光控制式光路切换型数据分布装置中，该数据服务器可以将医疗用的数字式静止图像或运动图像分布到从多个客户端设备中选出的一个或多个特定客户端设备中。

附图简述

图1是光控制式光路切换型数据分布装置的配置示意图；

图2是示出使用光分组、光顺序标签和光目的地标签，通过数据通信单元将数据从数据服务器设备分布到特定客户端设备的流程的图；

图3是表明光分组、光目的地标签和参考时钟脉冲的同步性的图；

图4a是本发明实例1的配备有光路切换机构的光控制式光路切换型数据传输装置的结构示意图；

图4b是本发明的光控制式光路切换型数据传输装置的结构示意图，其中简化了实例1的光路切换机构；

图5是空间耦合型光路切换机构的简化图；

图6是空间耦合型光路切换机构的简化示意图；

图7是本发明实例2的光控制式光路切换型数据传输装置的简化结构示意图；

图8是本发明实例4的光控制式光路切换型数据传输装置的简化结构示意图；

图9是光纤耦合型光路切换机构的简化结构示意图；

图10是实例5的光控制式光路切换型数据传输装置的简化结构示意图；

图11a示出未形成热透镜情况下的实例中的光路图；

图11b示出未形成热透镜情况下的实例中的另一种光路图；

图12a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12b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13a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13b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14a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14b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15是色素溶液填充型热透镜形成器件的示意图；

图16分别示出了色素[1]，[2]，和[3]的溶液的透射光谱；

图17示出由会聚透镜等会聚的高斯光束的焦点附近的示意图；

图18是通过将出射的信号光束投射到半透明屏幕上而捕获的出射的信号光束的截面图的照片图像，其中图18(a)是在调节光束束腰的位置使得光束束腰位于光吸收层膜的入射侧的附近之后，同时照射控制光束时捕获的图像，图18(b)是仅仅会聚并照射信号光束时捕获的图像，图18(c)是在调节光束束腰的位置使得光束束腰位于光吸收层膜的出射侧附近之后捕获的图像；

图19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20示出信号光束剖面上的光强度分布；

图21示出信号光束剖面上的光强度分布；

图22示出信号光束剖面上的光强度分布；

图23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24示出了在示波器上观测到的控制光束及信号光束的波形；和

图25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。

优选实施例的描述

[光分组通信原理]

在电信领域的分组通信系统中，任意量的数字信息(数据)被分成多个分组，每一个分组具有一组固定长度或可变长度的数字信号；在加入表示含有目的地和重组顺序的识别信息的标签后，发送每一个分组；通过基于标签中所包含的信息来识别目的地，通信通路上的通信通路控制设备将所述分组递送到目的地；通过基于标签中所包含的信息来排列分成分组的信息段的顺序(次序)，接收侧恢复原始信息并接受原始信息。

本发明的光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法使用光束来替代这种电信号分组和标签。换句话说，将任意大小的数字信息(数据)分成用于传输的具有一组固定长度或可变长度的光信号的光分组；将表示目的地的识别信息的″光目的地标签″和表示光分组重组顺序的识别信息的″光顺序标签″添加到每一个分组上；通过基于光目的地标签中所包含的识别信息来识别目的地，通信通路上的光控制式光开关操作来将光分组递送到目的地；接收侧重组已被分割成光分组的信息，以得到原始信息。按照这种方式，其波长不同于信号光束的波长的控制光束用作表示光分组的目的地的光目的地标签，而将表示关于重组光分组的顺序的识别信息的光顺序标签添加到光分组自身上，并作为信号光束发送。

例如，在图1和图2中，首先通过数据通信单元1100中的数据发送/接收控制单元1140，将待分别从数据服务器设备1000发送到客户端设备1201，1203，1203等的数据12010，12020，12030等分割成电信号分组；电信号顺序标签被附加到每一个电信号分组上，随后通过光信号发送单元1120将其转换成光分组12011，12021，12031，12012，12013等，并由光信号发送单元1120通过光信号通路1110进行发送，在光开关1101上，通过在照射光分组的同时照射光目的地标签12111，12121，12131，12112，12113等的动作，将分组的光路切换到光信号通路1111，1112和1113。在光信号通路结束处，设有光信号接收单元1131，1132和1133，利用所述光接收单元将所接收到的光分组转换成电信号分组，并且基于数据发送/接收控制单元1141，1142和1143的电信号分组中的顺序标签所记录的重组顺序上的识别信息，将其重组为原始数据12010，12020，12030等，并作为电信号分布到客户端设备1201，1202，1203等。如图2中所示，例如，原始数据12010被分割成光分组的信息部分12311，12312和12313，然后它们的光路被光开关切换，并被分布，然后基于已经被作为光顺序标签12211，12212和12213分布且被递送到客户端设备1201的数据的重组顺序上的识别信息来恢复信息。

[光分组和光目的地标签的同步]

按如下的说明进行光分组和光目的地标签的同步。

如图3所示，对齐由数据发送/接收控制单元1140在数据发送侧产生的参考时钟脉冲，使得ON状态13000，13002，13004，13006等和OFF状态13001，13003，13005等以相等的脉冲时间宽度t_p(例如，125毫秒)交替对齐。光分组12000，12001等从参考时钟脉冲的ON和OFF状态发起，对于任一状态，在参考时钟脉冲上升或下降后延迟预定延迟时间Δt后的定时发送。如同在实例中更详细的说明，根据本发明的光开关切换光路所需的时间对延迟时间Δt进行设置(例如，对于脉冲间隔t_p 125毫秒，延迟时间Δt为1毫秒)。彼此不同并从一种或多种控制光束光源产生的具有波长(1)，(2)，(3)等的光目的地标签与参考时钟脉冲同步产生。在图3所示的例子中，具有波长(1)的光目的地标签12111和光分组12011同步，并相应于参考时钟脉冲ON状态13002而产生，具有波长(2)的光目的地标签12121和光分组12021同步，并相应于参考时钟脉冲OFF状态13003而产生，具有波长(3)的光目的地标签12131和光分组12031同步，并相应于参考时钟脉冲ON状态13004而产生。当光目的地标签12112和12113被连续照射并发送时，相应的光分组12012和12013被连续地分布至同一客户端设备(在这个例子中是1201)。

[构成光控制式光路切换型数据分布装置的元件]

图1中示出构成本发明的光控制式光路切换型数据分布装置的元件。以下按预定的顺序说明这些元件。

[数据服务器设备]

数据服务器设备1000包括至少一个数据收集单元1050和发送数据存储单元1010，并且作为普通计算机单元还可以包括输入/输出控制单元1040、辅助存储单元、外部存储单元、电源单元等。

数据收集单元1050包括公知的任意数据输入设备，并在需要时可包括辅助存储单元，比如临时存储设备(缓冲存储器)。数据输入设备的实用例子例如是符合数字数据通信标准(比如RS-232C、IEEE 1394、USB2.0和SCSI)的输入接口，记录介质读取单元(比如软盘驱动器单元、CD驱动器单元、DVD驱动器单元、磁带单元、半导体存储器读取单元等)，和用于电视图像的数字接口板。

发送数据存储单元1010包括公知的任意数据存储/记录设备，并在需要时可包括辅助存储单元，比如高速操作的临时存储单元(缓冲存储器)。作为数字数据存储/记录设备，可以使用大容量存储设备，如硬盘驱动器单元、可写DVD驱动器单元、磁带单元，或DVD自动改写器单元。

[数据通信单元]

数据通信单元1100包括与数据服务器设备1000直接连接的数据发送侧部分、连接数据发送侧和接收侧的光路和光开关、和与客户端设备1201直接连接的数据接收侧部分等。

与数据服务器设备1000直接连接的数据发送侧部分包括至少一个数据发送/接收控制单元1140和光信号发送单元1120，并在需要时可以设有光信号接收单元1130，用于从客户端设备侧接收响应信号或数据发送请求信号。将光信号从客户端设备发送到数据服务器设备可对应于信号通过光开关的定时来进行。

在数据发送侧的数据发送/接收控制单元1140将待发送的数字信息(如数据12010)分割成电信号分组，将表示关于电信号分组重组顺序的识别信息的电顺序标签添加到电信号分组上，临时存储各个电信号分组，控制通过将表示光分组目的地的电信号目的地标签转换成控制光束而产生的光目的地标签的发送(与相应光分组同步地发送)，和控制光分组的发送(与相应光目的地标签同步地发送)。此外，根据光开关的操作状态，在数据发送侧的数据发送/接收控制单元控制从客户端设备到数据服务器设备的响应信号或数据发送请求信号的接收。

作为数据发送侧的光信号发送单元1120的一部分，图4a和图4b～10中示出了光学元件的结构。在图4a和图4b～10中，省略了光信号发送单元1120的电路。

数据发送侧的光信号发送单元首先响应于电信号分组的ON和OFF信号控制信号光束光源20的振荡状态，并将振荡状态作为光分组12011等发送，以将含有电信号所代表的顺序标签的电信号分组转换成信号光束120的强度或连续/不连续，其次，在发送光分组时响应于电信号的目的地标签，控制光信号发送单元的一个或多个控制光束光源21，22，23等的振荡状态，将其作为光目的地标签12111等发送。作为数据发送侧的光信号发送单元，可以使用激光振荡控制设备和公知所需系统的激光源。光信号发送单元的其他光学元件将在实例中说明。

对于连接数据发送侧与数据接收侧的光信号通路1110，可以合适地组合使用一种或多种自由空间、光纤和光波导。例如，可以合适地组合使用光信号发送单元到光开关间的光纤、光开关间的空间和光信号接收单元中的光波导。作为光纤，考虑到在待使用的控制光束和信号光束的波长下传输损失性能和传输距离，可以选择性地使用多模或单模石英玻璃光纤或塑料光纤。例如，只要在600nm～1.6μm的波长范围内单模石英玻璃光纤的传输损失为5dB/km或更少并且传输距离为100～200m左右，就可以使用单模石英玻璃光纤，而不需考虑传输损失。

与客户端设备直接连接的数据接收侧包括至少一个数据发送/接收控制单元1141等和在数据接收侧的光信号接收单元1131等，并可以设有光信号发送单元1121，用于将响应信号或数据发送请求信号从客户端设备发送到数据服务器设备。

在数据接收侧的数据发送/接收控制单元1141，1142，1143等临时存储所接收的并被转换成电信号的所有分组，确认添加到每一个分组中的表示顺序标签中的目的地的部分并丢弃任何不正确的接收，确认并临时存储代表关于用于重组各分组的顺序的识别信息的顺序标签，和根据顺序标签所含的信息重组数字信息(数据)。此外，在数据接收侧的数据发送/接收控制单元响应光开关操作状态而控制从客户端设备到数据服务器设备的响应信号或数据发送请求信号。

在数据接收侧的光信号接收单元接收光分组12011等，并转换成电信号分组。期望的是，根据通过使噪声与信号分离而接收的光信号的强度或连续/不连续状态，形成电信号。

作为数据接收侧的光信号接收单元和数据发送/接收控制单元，可以根据待使用的信号光束的波段和数据传输速率(比特速率)，选择性地使用公知的任意光通信接收器(光收发器)。

[客户端设备]

客户端设备包括接收数据存储单元1211等，或数据显示单元1261等，还可以包括普通计算机单元，比如输入/输出控制单元，辅助存储单元，外部存储单元，电源单元等。接收数据存储单元包括公知的任意数字数据存储/记录单元，并在需要时可包括辅助存储单元，比如高速操作的临时存储单元(缓冲存储器)。作为数字数据存储/记录单元，优选使用大容量存储单元，如硬盘驱动器单元，可写DVD驱动器单元，磁带单元，或DVD自动改写器单元。

对于上述构成本发明的光控制式光路切换型数据分布装置的元件，除了光开关外的公知的单元都按公知方式在本发明中使用。

[光开关]

图5示出本发明的光控制式光路切换型数据分布装置中使用的具有最小结构的光开关的光路切换机构91。图4a是在空间以三级连接的光路切换机构91，92和93的光开关1101的示意图(参见实例1)。图11a、11b、12a、12b、13a、13b、14a和14b示出本发明中所用的光开关的操作原理。

本发明中所用的光开关1101包括具有一个或多个光吸收层膜和热透镜形成层502的至少一个热透镜形成器件1等，用于分别透射信号光束(光分组)120，110，111，112等和选择性仅仅吸收一种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光吸收层膜的每一个上的装置(例如，会聚透镜31，32，33等)，和光吸收层膜；包括光吸收层膜的热透镜形成器件1，2，3等，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的所述光吸收层膜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50或60，响应于是否存在一种特定波长的控制光束的照射，使会聚的信号光束如图12b所示依其原样出射、使会聚的信号光束如图12a所示以大于正常发散角度的发散角度出射、或者如图11a或11b所示使会聚的信号光束以正常发散角度出射；设置于每一个热透镜形成器件之后并包括孔161和反射装置的反射镜61，所述反射镜响应于是否存在一种特定波长的控制光束的照射，用于使从热透镜形成器件出射的信号光通过孔161或用于通过反射装置反射信号光束而使光路偏转。

下面详细说明本发明中所用的光开关的组件。

[用于分别会聚和照射控制光束和信号光束的装置]

在利用本发明的热透镜效应操作光开关时，会聚透镜或凹面镜用作在光吸收层膜/热透镜形成层502的相同区域会聚和照射控制光束和信号光束的装置。作为会聚透镜，可以优选使用常规凸透镜等，非球面凸透镜，折射率分布式会聚透镜，由多个透镜组成的显微镜的物镜，照相设备用的透镜等。可以响应于信号光束和控制光束在波长上的差，使用色差校正透镜来校正因透镜材料的折射率上的差异而引起的色差，其中所述色差校正透镜是具有不同折射率的凸透镜的组合。为了使信号光束和控制光束没有任何损失地进入光吸收层膜，会聚透镜或凹面镜的有效孔径必须大于含有信号光束和控制光束的平行光束的光束直径。此外，根据会聚透镜或凹面镜的焦距和工作距离，设置与光吸收层膜的位置关系。具体例子在下面的实例中说明。

[光接收透镜]

当控制光束未照射和会聚的信号光束以正常发散角度从热透镜形成器件出射时，以及当控制光束照射和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时，光接收透镜没有损失地接收出射信号光束，并用作恢复平行光束的装置。与会聚透镜类似的透镜可以用作光接收透镜。对于这里所用的光接收透镜，还可以使用凹面镜。此外，推荐的是，这些光接收透镜的数值孔径(下文简称作″NA″)被设置为大于会聚透镜的NA的值。更具体而言，通过将光接收透镜的NA设置为等于或大于会聚透镜的NA的两倍，光接收透镜可以没有损失地接收光束，即使在信号光束以大于正常发散角度的发散角度出射时。

另一方面，当使用其中当控制光束照射时会聚的信号光束从热透镜形成器件保持不变出射的结构时，如果出射光束的光束直径保持为小，那么由于光的衍射，光束的会聚可能不足以将所述光束再次会聚和照射在光开关中的热透镜形成器件上，或者使光束会聚并入射到后面级的光纤中。在这种情况下，推荐的是，通过对在会聚时出射的信号光束进行扩束来扩大光束直径。作为扩束光束的装置，可以使用公知的装置，例如，可以包括两个凸透镜的Keplerian光学系统。

[波长选择和透过滤波器]

只要本发明的光开关中所用的热透镜形成器件的控制光束的透射率不为0％，则相当于透射率值的量的控制光束就透过热透镜形成器件并从热透镜形成器件出射。为了避免该数量的控制光束进入热透镜形成器件或其他地方而产生错误操作或串扰，需要使热透镜形成器件1、2及3的控制光束的透射率接近于0％。此外，优选的是在热透镜形成器件1、2及3之后设置波长选择和透过滤波器(图4中的81，82，和83)。作为这种波长选择和透过滤波器，可使用任意的公知滤波器，只要它能够完全阻挡每个控制光束的波段中的光、同时可使信号光束和后面级的光开关的控制光束的波段中的光高效地透过。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。可以涂覆法、溅射法等方法将包含波长选择和透过滤波器所用的材料的薄膜形成于会聚透镜(图4的41、42及43)的表面上，并且将其用作波长选择和透过滤波器。

[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11a，11b，12a和12b示出热透镜形成器件的构造的例子的剖面图。如图11a和11b所示，热透镜形成器件1包括例如自控制光束121及信号光束110的入射侧开始，按顺序层叠而成的导热层膜501/光吸收层膜和热透镜形成层502/导热层膜503。

此外，图15中示出了色素溶液填充型热透镜形成器件的示意图。如图15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，在可使色素自身作为使得不产生光散射的微结晶聚集体单独存在的情况下，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(比如树脂等)、导热层膜(比如玻璃等)和/或绝热层膜(比如树脂等)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，优选使用可以以小于亚毫秒级的响应速度打开和关闭的连续波(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16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16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成层的材料及热透镜形成层的膜厚度]

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。

[光吸收层材料]

在本发明所使用的热透镜形成器件中，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，在用于熟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17中示出了在利用图4a和图4b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变得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。

从上述计算例子可以明显看出，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，可以确信的是，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，响应于波长而在需要时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(2)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＝πω₀ ²/λ    ...[6]

若将等式[5]代入等式[6]中的ω₀，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。

[使用热透镜效应的光路切换机构的工作原理和工作方式]

在图11a，11b，12a，12b，13a，13b，14a和14b中示出用于描述作为构成本发明所用的光开关的最小单元的光路切换机构91的工作原理的示图。在这些图中，热透镜形成器件1具有一种结构，在该结构中，导热层膜501、光吸收层膜和热透镜形成层502、和导热层膜503依此顺序层叠。使用其中用作控制光束的激光束的光束截面上的强度分布为高斯分布的高斯光束。使用如凸透镜的会聚透镜来会聚高斯光束，在光束束腰(会聚点；焦点)处的光强度分布成为高斯分布。

如图11a和11b所示，当使用会聚透镜31会聚准直的平行光束110(信号光束或控制光束)，并照射在热透镜形成器件1的光吸收层膜和热透镜形成层502上时，被会聚的并作为平行光束照射的控制光束在光吸收层膜中被吸收，光能转化成热能，在吸收光的光吸收层膜的附近并邻接该光吸收层膜的热透镜形成层的温度上升，导致其折射率降低。当照射上述具有高斯分布光强度的光束时，则会聚具有最强光强度的高斯分布的中心部分，并且用光照射的区域成为光吸收中心，在该区域，温度最高而折射率最低。自光吸收中心部分向外周的光吸收变成热量，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，产生一种分布，在该分布中，在光吸收中心的折射率低而向外部的折射率增加，这种分布相当于凹透镜。在实际应用中，由会聚透镜31等会聚控制光束，并照射进含有热透镜形成层的光吸收层膜中。随后，在会聚的光束的传播方向上发生多次光吸收，传播的控制光束的光通量自身也因形成的热透镜而多次变形。因此，观察到的热透镜效应不同于下述单一凹透镜所产生的效应。

如图11a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，使得在热透镜形成器件1的光吸收层膜的入射面附近的位置5聚焦时，则如图12(a)所示，由于控制光束的入射面附近位置形成的热透镜50，信号光束以大于正常出射光束的发散角度的发散角度作为出射光束201出射，使得所述光束以截面呈环状形式扩散。从热透镜形成器件1出射的信号光束201或200投射到约50cm远的半透明屏幕上之后，从背面拍摄的信号光束的截面照片显示在图18(a)和18(b)中。如图18(b)所示，从热透镜形成器件1以正常发散角度出射的信号光束200的截面具有圆形形状，在屏幕上的直径为d₂。然而，当控制光束与信号光束同时照射，使得这些光束聚焦在热透镜形成器件1的光吸收层膜的入射面附近的位置5上时，则如图18(a)所示，出射信号光束201的截面扩散，通过在入射面附近位置形成的热透镜50使得光束截面以环状形式扩散，且被投射在屏幕上呈环状，其外径为d₃，内径为d₄。从图18可见，当控制光束未照射时，外径d₃和内径d₄都大于信号光束的圆光束直径d₂。

另一方面，如图11b所示，当用控制光束和信号光束同时照射，使得这些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上时，则如图12b所示，通过利用控制光束在出射面附近位置形成的热透镜60，使信号光束作为会聚的信号光束119出射。从热透镜形成器件1出射、并投射到半透明屏幕上、然后从背面拍摄的出射信号光束119的照片显示在图18(c)中。当控制光束与信号光束同时照射，使得这些光束聚焦在热透镜形成器件1的光吸收层膜的出射面附近的位置6上时，通过利用控制光束在出射面附近形成的热透镜60会聚且保持不变地出射的出射信号光束119的截面投射在屏幕上时为圆形，其外径为d₀。从图18可见，当控制光束未照射时，外径d₀小于信号光束的圆形光束的直径d₂。会聚和出射的信号光束119的亮度非常高，因此在屏幕前方设置中性滤波器(neutral density filter)，以防止当将信号光束119投射在屏幕上时出现晕影。

在图11a或图11b中示出的任一实例中，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，并以正常发散角度作为出射光束200出射，如图12a和图12b中的虚线所示。

可以使用下列方式之一来测量与热透镜效应的有无对应的信号光束的截面中光强度分布的差异以及热透镜形成器件的光吸收层膜中的光束束腰(会聚点；焦点)位置的差异。例如，在实验测试中，在图4、13a和13b，或14a和14b中示意示出的装置中，将光接收透镜41的数值孔径设为0.55，会聚透镜31的数值孔径为0.25；设置如图19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接收透过热透镜形成器件1的全部信号光，以使光束进入光接收单元701(有效直径：20mm)；随后测量信号光束的光束截面的光强度分布。测量结果在图20、图21及图22中示出。此处，如图19所示，光强度分布测量器是这样一种器件：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20对应于图11(a)和图13a中示出的情况，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13(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全部通过设有孔的反射镜的孔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]

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。

$D_2=D_1\×\sqrt{2}...\left[10\right]$

此处，虽然大于由等式[9]所得出的信号光束111的光束直径d₂的设有孔的反射镜61的椭圆孔161的短轴D₁是足够的。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。因此，D₁的最佳值是d₂的1.01～1.2倍，更优选为1.021～1.1倍。

图21对应于图11a，图12a，图13a和图13b中所示的光学系统配置，表明在将光束束腰(会聚点：焦点)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)并照射控制光束时，信号光束光束截面上的光强度分布。得到的光强度分布表明，在其中心部分的光强度弱、周边以环状方式变强。信号光束的光束截面上的中心部分的光强度依据控制光束的光强度及热透镜形成器件1与焦点间的位置关系而减少，随着控制光束的光强度增加，信号光束的光束截面的中心部分的光强度接近于0。信号光束的光强度变为最大的位置是在大于原始光束直径的值(直径约为15mm)。

图22对应于图11b，图12b，图14a和图14b中所示的光学系统配置，并且示出了当将光束束腰(会聚点：焦点)设定在热透镜形成器件1的光接收透镜41附近的位置6(光束的出射侧)并照射控制光束时，信号光束的光束截面上的光强度分布。在此例子中，中心部分的光强度较(图21)中心部分光强度更强。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的光强度及热透镜形成器件1与焦点6的位置关系，有控制光束照射时中心部分的光强度达到在控制光束未照射时测量的强度的若干倍。

因此，在这种情况下，若设置设有孔的反射镜61，则大部份的信号光束通过设有孔的反射镜的孔161。这里，当使设有孔的反射镜61(和62和63)的孔161大小最优时，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，即使将设有孔的反射镜61的孔161大小优化，在未照射控制光束的情况下，仍无法防止图14a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，并且不能防止发生串扰。

然而，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，可使这种泄漏的信号光束减少到接近于0。即，如图6所示，在使用准直透镜30对从光路1110出射的信号光束110进行整形后，比较容易的是，使用包括圆锥棱镜型透镜等的光束截面整形成环状透镜组321，将信号光束的光束截面的光强度改变为与图18(a)和图21对应的环形分布。在利用会聚透镜31使在其截面上具有此种光强度分布的信号光束110会聚，以使得信号光束110通过焦点位置6(图14a)和使得信号光束110透过热透镜形成器件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，信号光束110的光束截面的光强度分布成为与图21对应的其周边部分强度较高、而中心部分基本上为0的环状分布。因此，在设置设有孔的反射镜61时，可使通过孔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成为这种环状，如图14b所示，当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，并作为会聚的直线传播信号光束119通过设有孔的反射镜61的孔161。

综上所述，在图13a和图13b的光学系统配置中，响应于是否存在控制光束的照射，信号光束的光束截面的光强度分布，在图21的环状分布(当控制光束照射时)与图20的高斯分布(当控制光束未照射时)之间切换，随后通过适合于此种信号光束的光束截面上的光强度分布形状的设有孔的反射镜分别单独取出信号光束，使得光路的切换成为可能。

另一方面，在图14a和图14b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位于接近热透镜形成器件的出射侧的位置6，并进一步通过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传播方向改变90度，并使信号光束出射，而当照射控制光束时，信号光束可以直线传播。

[组合多个光路切换机构的方法]

当通过使用空间连接方法进行连接来使用多于一个的光路切换机构(91等)时，可以使用出射信号光束以大于正常发散角度的角度出射的工作模式和出射信号光束在会聚时出射的工作模式的三种组合，所述多于一个的光路切换机构包括热透镜入射光束会聚透镜(31等)、热透镜形成器件(1等)、热透镜出射光束接收透镜(41等)、波长选择透过滤波器(81等)，和设有孔的反射镜(61等)。这些组合如下：

(1)仅有出射信号光束以大于正常发散角度的角度出射的工作模式的组合；

(2)仅有出射信号光束在会聚时出射的工作模式的组合；或

(3)在出射信号光束在会聚时出射的工作模式之前，出射信号光束以大于正常发散角度的角度出射的工作模式的组合。

关于上述第三种组合，如果使用如下的工作模式，如图11a所示，其中第一级的光路切换机构同时照射控制光束和信号光束，使得光束束腰(焦点)位于在热透镜形成器件1的光吸收层膜的入射面附近的位置5，利用出射信号光束通过热透镜效应扩散，以大于正常出射光束的发散角度的发散角度出射，在未使用光束截面整形成环状透镜组321的情况下有效地组合两个光路切换机构，在这种情况下，设有孔的反射镜反射具有环状截面的信号光束以切换光路；如图11b所示，在第二级的光路切换机构同时照射控制光束和信号光束，使得光束束腰(焦点)位于在热透镜形成器件1的光吸收层膜的出射面附近的位置6，通过热透镜效应会聚的出射信号光束以较小截面出射。在下面的实例4中将详细说明这种组合。

[设有孔的反射镜]

设有孔的反射镜61例如可设置成与信号光束的光轴呈45度角。设有孔的反射镜61的镜面是在玻璃面上溅射制成的介电多层膜，并对其进行调节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是通过在玻璃上以45度倾斜钻出的椭圆形孔来制成的。或者，不用钻孔，可以取消椭圆反射膜，但由于玻璃面对入射光有数个百分比的反射，会引起信号光的衰减及串扰，故优选为钻孔。为防止光散射等引起的杂散光，优选的是处理孔的内表面，以不产生反射。此外，反射膜不限于介电多层膜，因此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。

[时分″一点对多点″双向光通信]

在本发明的光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法中，由于所使用的光开关的工作原理，仅在光开关操作时，数据服务器设备侧和特定客户端设备侧的光通信通路在两个方向上都打开。因此，为了允许特定客户端经由光通信通路在所需时间发散数据传输请求，数据服务器设备必须在一段预定时间内反复将至少一个控制光束光目的地标签传输至各客户端设备。否则，必须进行从客户端设备到数据服务器设备的使用另一个光通信通路的光通信或使用常规局域网络的电通信。

在多个客户端和单个数据服务器设备间按某一间隔依次打开光信号通路是一种时分″多点对一点″双向光通信。

时分间隔，光分组数据大小，光开关ON/OFF响应速率，和客户端的数量彼此相关。例如，当光开关的ON/OFF响应速率足够高时，光分组的数据量将不充足，然而，即使当客户端的数量增大，如果光开关的ON/OFF响应需要较长时间，向其足够数据量的客户端设备的数量也受到限制。

如在实施例中所说明的，本发明中所用的光开关能够在1毫秒内进行充分的ON/OFF操作，因此，通过将1秒分成8个时间单元，来将124毫秒分配给每一个客户端，光开关可以向例如8个客户端提供光信号通路。因此，如果数据服务器设备侧的光信号传输单元1120的调制速率为10Gbps，那么包括光顺序标签的光分组数据量可以设置到1.24Gbps(155MB)。这相当于下述情况，其中在1秒内将由具有2272×1704像素(每一像素具有32-位彩色信息)的100页或更多高清晰度静止彩色图像的数据通信量输送至8个客户端中的每一客户端。即，例如，层迭1000个单色高清晰度图像所代表的人体3D图像可以在1秒内分配至8个位置，未压缩的数字高视频彩色运动图像可以在1秒内分配至8个位置。当光信号传输单元的调制速度从10Gbps增大到40Gbps时，可以分布四倍的数据量。

通过多级使用的光开关所引起的信号光衰减来确定客户端的数量的上限，然而，这种开关通常能没有困难地应用于2～8个客户端，并且取决于所用光纤的传输损失，大多数情况下这种开关能够用于16～32个客户端设备。当使用32个客户端设备时，光分组的有效时间宽度是30.25毫秒(＝(1000/32)-1)，然而，通过将光信号传输单元1120的调制速率增大到40Gbps，可以确保数据量为1.21GB的光分组。

这种开关是一种时分多点对一点双向光通信开关，从数据服务器设备1000到光信号传输单元1120的电信号通路1400的数据传输速率D_s满足等式[11]表述的关系；其中D_c代表客户端设备侧的电信号通路1401等的数据传输速率，Nc代表客户端设备的数量：

D_s≤D_c×N_c    [11]

当D_s是10Gbps，客户端设备的数量是4，在客户端设备侧的光信号接收单元1131等所接收的光分组所含的信息被转换成电信号，临时储存，并作为电信号传输时，客户端设备侧的电信号通路1401等的数据传输速率D_c为2.5Gbps或更高就是足够的。然而，客户端设备侧的光信号接收单元1131，1132，1133等的光信号接收速率需要为D_s或更高。即，在本发明的光控制式光路切换型数据分布装置中，当连接两个或多个客户端设备时，客户端设备侧的电信号通路的数据传输速率可以减少到1/2，或小于数据服务器设备侧的数据传输速率，因此与其中所有客户端设备都通过具有高数据传输速率的组件连接的情况相比，器件的成本降低。

实例

以下结合具体实例，详细阐明本发明的实施例。

[实例1]

图4a是实例1的光控制式光路切换型数据分布装置中所用的光学元件的结构示意图。除了图4a所示的光学元件之外，实例1的光控制式光路切换型数据分布装置包括数据服务器设备，数据通信单元中的电路和其电源，客户端设备，连接数据服务器设备和数据通信单元的电信号通路，连接数据通信单元和客户端设备的电信号通路，和电源。

图4a是光控制式光路切换型数据分布装置的部分结构的示意图，示出了光信号传输单元1120的一部分，光开关1101，以及光信号通路1110，1111，1112和1113。

作为数据服务器设备，使用1台商售普通计算机单元，该计算机单元具有用于控制输入/输出控制单元1040的时钟频率为3GHz的中央处理单元，用作传输数据存储单元1010的容量为2GB的半导体存储设备，和容量为800GB的硬盘存储设备。

作为客户端设备，使用4台商售普通计算机单元，每一计算机单元具有用于控制输入/输出控制单元1241的时钟频率为2.8GHz的中央处理单元，用作接收数据存储单元1211的容量为1GB的半导体存储设备，和容量为250GB的硬盘存储设备。

数据服务器设备侧的数据通信单元的电子电路和电源包括数据发送/接收控制单元1140，光信号发送单元1120的控制电路，光接收装置如光信号接收单元1130和1131等和控制电路，和其电源。作为数据服务器设备侧这些组件的电路，使用利用红外激光的数据通信速度为10Gbps的商售光收发装置的发送单元和接收单元。电源是恒压电源，可以提供足够的电压和电流。

客户端设备侧的数据通信单元的电子电路和电源包括数据发送/接收控制单元1141，1142，1143等，光信号发送单元1121的控制电路，光接收装置如光信号接收单元1131，1132，1133等和控制电路，和其电源。作为客户端设备侧这些组件的电路，使用利用红外激光的数据通信速度为10Gbps的商售光收发装置的发送单元和接收单元，从光分组信息转化成电信号，临时存储，然后作为电信号传输。电源是恒压电源，可以提供足够的电压和电流。

作为控制光束的光源的控制电路，可以组合并使用适合于所使用的激光二极管的恒压电源和光收发装置的发送单元。

作为连接数据服务器设备和数据通信单元的电信号通路1400，数据传输速率为10Gbps并符合适用通信标准的一个电信号通路与数据传输速率为10Gbps的光收发器的电信号输入/输出单元组合使用。另一方面，因为通过将数据服务器侧的单个光信号通路按时间分割成四条而被四个客户端设备共用，因此不需要电信号通路1401，1402，1403等来确保数据服务器设备侧的数据传输速率为10Gbps，在这种情况下，10/4，或2.5Gbps是足够的。同样，传输速率为3Gbps并符合适用通信标准的电信号通路与数据传输速率为10Gbps的光收发器的电信号输入/输出单元组合使用。

构成光信号发送单元1120的光学元件包括1个单信号光束光源20；三个波长彼此不同的控制光束光源21，22，和23；用于使所有控制光束121，122，和123的光轴对齐并使它们在同方向传播的分色镜51，52，和53；以及用于组合信号光束120和3个控制光束121，122，和123并使组合后的光束进入光纤1110的会聚透镜10。

作为组合并传输所有信号光束120和3个控制光束121，122，和123的光信号通路1110，使用长度为10m的单模石英玻璃光纤。

实例1的光开关阐明了如下例子：其中光开关包括用于使从光纤1110出射的信号光束120和控制光束121，122，和123基本上恢复为平行的准直透镜30；和光路切换机构91，92，和93，包括用于光入射到热透镜的会聚透镜(31，32，和33)，热透镜形成器件(1，2，和3)，用于从热透镜出射的光的光接收透镜，波长选择透过滤波器(81，82，和83)和设有孔的反射镜(61，62，和63)，它们在三级中串联连接。从光路切换机构91和92出射的直线传播的信号光束111和112空间耦合，并入射到各个后级的光路切换机构92和93的热透镜入射光束会聚透镜32和33，从光路切换机构93出射的直线传播的信号光束113被直线传播信号光束会聚透镜401会聚，并作为直线传播出射信号光束进入光信号通路1114。从光路切换机构91，92，和93出射并被切换的信号光束211，212，和213分别被光路切换后的各出射信号光束会聚透镜71，72，和73会聚，并随着光路被切换作为出射信号光束入射到光信号通路1111，1112和1113。

作为出射侧的光信号通路1111，1112，1113，和1114，可以使用普通单模石英玻璃光纤(100m长)。根据控制光束和信号光束的透射率/传输损耗性能，作为单模石英玻璃光纤的替代，可以选择并使用多模石英玻璃光纤光纤，SI型塑料光纤，GI型塑料光纤。

连接的光路切换机构数量与波长彼此不同的信号光束光源的数量对应。然而，可以连接的各级的数量可由每段光路切换机构的信号光透射率、入射到光控制式光路切换型数据分布装置的信号光初始强度、以及最终所需要的信号光强度来计算。例如，若每段光路切换机构的透射率为85％(信号强度衰减0.7dB)，则当4个光路切换机构串联连接时，总透射率为52.2％(信号强度衰减2.8dB)。

以下，以图4a所示的3级串联结构为例，进行详细的说明。图4a的会聚透镜31和热透镜形成器件1的部分视图被提取出作为图11a，11b，12a和12b，图13a，13b，14a和14b中示出了进一步添加有光接收透镜41和设有孔的反射镜61等的部分视图。为避免带有3个或更多个光路切换机构的装置的视图过于复杂，在光路切换机构91，92和93是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5左侧的图)用符号表示，并以图5表示。即，例如，图4a的光控制式光路切换型数据分布装置以部分符号化的图4b示意性地表示。因为除了表示方式不同外，图4a和图4b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4a和图4b时，这些图简称为″图4″。

此外，2个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的光路切换机构的结构示意图的图9表示。

尽管图4a，5，6，9和图11a～14b中是将热透镜形成器件1作为具有导热层膜501，光吸收层膜和热透镜形成层502，和导热层膜503的三层结构的器件进行描述，但热透镜形成器件的结构并不限于这种结构。

在实例1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15)。作为溶解色素的溶剂，使用彻底脱水和脱气的邻二氯苯。具有相同形状的光学室809用于热透镜形成器件1，2，和3，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距离，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，在填充色素溶液并进行脱气之后，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]进行调节，使得532nm，670nm，和800nm的透射率分为0.0～0.2％，而波长为850nm的信号光束的透射率为85～99％。

在实例1所用的结构中，使用准直透镜30将从光信号通路1110出射的入射信号光110聚焦成为光束半径为5.0mm的基本上平行的光束。

尽管在实例1中，使用数据传输为10Gbps、振动波长为850nm的垂直腔表面照射型半导体激光器的光收发器发送单元作为信号光束120的光源20，但亦可使用振动波长为1350nm～1550nm并具有超高速调节能力的半导体激光束。此外，可以同时使用具有多个波长的信号光束。在使用具有多个波长的信号光束光源的情况下，一个光分组包含有重叠的、具有多个波长的信号光束，并且通过光信号接收单元根据波长收集信号光束。在实例1中，振动波长为532nm的二次高谐波半导体激励Nd:YAG激光器，提供670nm和800nm的半导体激光器用作照射控制光束121，122，和123的控制信号光束光源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。形成控制光束121、122及123以便它们提供光束半径为4.5mm的平行光线。设置在会聚透镜31、32或33中的任一个会聚透镜之前的控制光束光源的激光功率均设为2或10mW。

以共同的会聚透镜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。为了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重叠，控制光束及信号光束利用分色镜51，52及53调整，使得信号光束和控制光束在进入光信号通路1110之前共轴并彼此平行。按照这种方式，可有效地利用由于控制光束的光束束腰位置的光吸收而形成的热透镜效应，使得信号光束的传播方向偏转。

在实例1所用的结构中，调节会聚透镜31，32，和33以及各热透镜形成器件1，2，和3间的位置关系，使得信号光束和控制光束的光束束腰位于热透镜形成器件1，2和3的光吸收层膜中的入射面附近，并设置成使得当控制光束未照射时，已会聚并入射进热透镜形成器件1，2和3的信号光束作为信号光束111，112和113以正常发散角度出射，而当控制光束照射时，由于热透镜效应形成环状截面，使信号光束以大于正常发散角度的发散角度出射。这里，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后获得的信号光准直成平行光束。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。在实例1所用的结构中，会聚透镜的NA为0.25，而光接收透镜的NA为0.55。光接收透镜的NA优选等于或大于会聚透镜NA的两倍。会聚透镜和准直透镜不限于具有这些特定NA值的透镜，可以使用满足这种关系的任何透镜组合。通过将光接收透镜的NA设为会聚透镜NA的至少两倍，即使信号光的光束直径扩大为信号光束进入热透镜形成器件时光束直径的两倍或以上，亦可无损失地接收光。在实例1中，将会聚透镜与光接收透镜的焦距设为相同，并使用有效直径约为10mm的会聚透镜。

将经光接收透镜41、42及43准直的信号光束导向设有孔的反射镜61、62及63上。如上所述，可通过这些设有孔的反射镜切换信号光束的光路。

在实例1所用的结构中，会聚透镜31的焦距f₁与光接收透镜41的焦距f₂相同。因此，入射到会聚透镜31的信号光束110的光束直径d₁与被光接收透镜转化成为平行光束的信号光束111的光束直径d₂相同，如上所述，在本实例中均为10mm。因此，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，在实例1中短轴D₁为10.5mm。使用等式[7]，D₂被确定为14.8mm。使用尺寸(50×50mm)的反射镜足以将直径为30mm的光束反射45度。

如图4所示，通过利用会聚透镜会聚信号光束，光路的切换使得通过将信号光束的传播方向偏转90度而取出的信号光束(切换信号光束)分别入射到光路1111，1112，和1113中的光纤。

在控制光束的光源21、22及23全部关闭的情况下，信号光束未经历热透镜效应，并作为信号光束111、112与113出射。会聚透镜401会聚出射信号光束113并将其引导进入到光信号通路1114的光纤。

在实例1所用的结构中，在热透镜形成器件1、2及3后分别设置波长选择和透过滤波器81，82，和83。波长选择和透过滤波器81，82，和83分别吸收100％的波长为532nm，670nm，和800nm的控制光束，而具有在后面级中所用的更长波长的控制光束和波长为850nm的信号光束被吸收为99.5％或更多。

实例1中所用的光控制式光路切换型数据分布装置，是通过三级串联连接的包括会聚透镜、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而构建的。因此，在控制光束全部关闭的情况下，信号光束是直线传播而入射到光信号通路1114的光纤。在将控制光束21打开的情况下，通过切换光路，信号光束211从光信号通路1111的光纤出射。在控制光束21关闭且控制光束22打开时，通过切换光路，信号光束212从光信号通路1112的光纤出射，在控制光束21及22关闭而控制光束23打开的情况下，通过切换光路，信号光束213从光信号通路1113的光纤出射。下面的实例中使用其中同时打开多个控制光束的情况进行说明。

通过在接收侧的光信号接收单元接收入射到光信号通路1111，1112，1113，和1114中的光纤的信号光束，转换成电信号，并分别分布到客户端设备1201，1202，1203，和1204。

在实例1的光控制式光路切换型数据分布装置中，为了测量第一级中的光路切换机构的光响应速度，连续光束用作信号光束，而频率为数Hz到100Hz、占空比为1∶1的方波间歇光束被用作控制光束121进行照射，并比较通过光路切换获得的信号光束的强度振幅大小。

在图23及图24中示出了由示波器测量的将来自图4所示的控制光束光源21的控制光束导向光检测器的控制光束121的波形6210，以及由示波器测量的将对应于控制光束121的打开和关闭而进行光路切换的信号光束211导向光检测器的信号光束波形211的6220。图24的纵轴是将图23的纵轴扩大三倍。此外，打开和关闭的控制光束121的方波的频率设定为200Hz至100kHz，并在图25中示出了与信号光束的打开和关闭对应的信号光束的波形6220的振幅L的测量结果。

如图23所示，打开和关闭控制光束121(图4)的方波的频率是500Hz，假设在这种情况下与信号光束的打开和关闭对应的信号光束的波形6220的振幅L作为基准振幅值1，则在打开和关闭控制光束121(图4)的方波的频率范围为0.2至2kHz中，振幅L大致为1。即，确认的是，可以在500微秒内进行完全的光路切换。这种高速响应以使用以电加热器造成热光学效应的光开关(通常响应速度为毫秒级)的速度两倍的速度执行。

作为进一步提高频率的情况的例子，在图25中示出了频率为20kHz的信号光束的波形6220。从图25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通路未被切换且直线传播。

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，其中打开和关闭信号光束122和123中的每一个，在每级中获得与第一级的响应速度相等的高响应速度。

为了测量实例1的光控制式光路切换型数据分布装置的耐久性，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分别进行照射。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数据分布装置的偏振依赖性，将一个单偏振器件插入到信号光束及控制光束中，并且通过以各种方式改变偏振角来进行实验。在任何测试中绝对发现不了偏振依赖性。

为了测试实例1的光控制式光路切换型数据分布装置中，出射的直线传播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，比较光信号通路中的光纤1111，1112，1113，和114的出射光束的光强度。随后，泄漏光(串扰)强度与有用的出射光强度的比为非常弱的2000∶1～8000∶1(-33～39dB)。

在实例1的光控制式光路切换型数据分布装置中，一个数据服务器设备向四个客户端设备发送数据，响应控制光束的打开和关闭而切换光路所需的时间是0.5毫秒。因此，响应图3所示的参考时钟脉冲的ON/OFF，光分组的延迟时间Δt是1毫秒。这样，为一个客户端所分配的数据分布时间最大为(1000/4-1＝)249毫秒；光分组的时间宽度可被设置为最大249毫秒；和数据尺寸最大被设置为(10Gbps×0.249秒＝)2.49Gbit，或311MB。

通过将由具有2272×1704像素(每一像素具有32-位彩色信息)的200页高清晰度静止彩色图像组成的240到300MB数据(每1图像为1.2～1.5MB)分布至四个客户端中的每一客户端，从而进行图像数据分布实验，数据分布在1秒内成功地完成(相当于1个光分组×4)。

进行将用于记录大小为1000MB的彩色运动图像的四种不同类型的文件分配到四个客户端的实验，数据分布在4秒内成功地完成(相当于4个光分组×4)。

[比较例1]

将提供1Gbps的Ethernet标准传输速率的Ethernet(注册商标)卡安装在数据服务器设备和四个客户端设备的每一个中，使用长度为10m的LAN线缆在数据服务器设备和提供1Gbps的标准传输速率的切换HUB设备间连接，以及在每一客户端设备和切换HUB设备间连接。然后测量数据传输速率。需要58秒将大小为1000MB的运动图像文件，即实例1中所用的文件，同时分配到每一客户端设备。在将客户端设备的Ethernet改变到提供100Mbps的Ethernet标准传输速率的卡之后，执行相同测量，在这种情况下需要123秒。

[实例2]

在实例2所用的光控制式光路切换型数据分布装置中，用光路切换机构191(图6)代替实例1的光路切换机构91，92，和93(图4)；其中信号光束和控制光束的光束束腰(焦点)设置在热透镜形成器件1的光接收透镜41附近的位置6(光束出射侧)；设有孔的反射镜61的孔161的直径被设为2mm，其比实例1中使用的孔的直径小。其他元件与实例1所用的相同。

使用这种装置，将信号光束和控制光束的光束束腰(焦点)设置在热透镜形成器件1的光接收透镜41附近的位置6(光束出射侧)，因此，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到5％。当入射到光路切换机构191的信号光束110的光束截面上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透镜组321，将信号光束光束截面上的光强度分布调节为环状。此外，在信号光束和控制光束同时照射的情况下，从由于控制光束的光吸收而形成的热透镜60出射的会聚的直线传播信号光束119的光束直径较小，在信号光束119在后面级被会聚后，其光束束腰变得相当大，如上所述。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的半径扩大到与入射信号光束110的半径等大的5mm，使会聚后的直线传播信号光束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数据分布装置的控制光束121，122，和123的打开/关闭状态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，作为光路切换信号光束211出射，并被会聚透镜71会聚，进入光纤1111。当打开控制光束121时，信号光束110作为会聚的直线传播信号光119通过设有孔的反射镜61的孔161，并随后使用扩束器331将其光束直径扩大成等于入射信号光束110的光束直径的直径，并进入第二级的光路切换机构192(图7)。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1112。当同时打开控制光束121和122时，信号光束直线传播，并作为信号光束112进入第三级的光路切换机构193(图7)，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1113。当控制光束1121，122，和123全部关闭时，信号光束110最终作为直线传播信号光束113出射，被会聚透镜401会聚，并进入光纤1114。

为了测量实例2的光控制式光路切换型数据分布装置的光响应速度，连续光束被用作信号光束，频率为数Hz到100kHz、占空比为1∶1的方波间歇光束被用作控制光束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，发现的是，相对于1Hz时的信号光束的强度振幅，直到2kHz为止，强度振幅均未变化，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，确认的是，可以在500微秒内进行完全的光路切换。相较于使用以电加热器造成热光学效应的光开关，这是一种速度为其两倍以上的高速响应。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相似的响应速度。

为了测量实例2的光控制式光路切换型数据分布装置的耐久性，连续光束被用作信号光束，频率为1kHz、占空比为1∶1的方波间歇光束被分别用作控制光束121、122和123进行照射。并且比较其光路已经被切换的信号光束的强度幅度与时间的关系。结果显示，即使经过10000个小时的连续操作，信号光束的强度幅度亦不会衰减。

为了测试实例2的光控制式光路切换型数据分布装置中出射的直线传播光和光路切换光束间的串扰性质，在全部控制光束关闭，仅有光束121打开，仅有光束121和122打开，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。结果是，泄漏光(串扰)强度与相关出射光强度的比极弱，在1000∶1到2000∶1(-30～33dB)之间。

通过将由具有2272×1704像素(每一像素具有32-位彩色信息)的200页高清晰度静止彩色图像组成的240到300MB数据(每1图像1.2～1.5MB)分配至四个用户中的每一个，从而进行图像数据分布实验。在每一种情况下，数据分布在1秒内成功地完成。

[实例3]

改变实例1所用的设有孔的反射镜61的安装角度(相对于信号光束110的光轴为45度)，并通过基于安装角度的三角函数计算确定椭圆状孔161的形状(长轴的长度相对于短轴的长度)，可以在约5度至175度的范围内自由改变光路相对于信号光束110的光轴切换的角度。可以相似地改变在第二级和后面级中设置的设有孔的反射镜62和63。

此外，通过使用信号光束110的光轴作为旋转轴，旋转设有孔的反射镜61的安装位置，并且还移动会聚透镜71等的位置等，可在0～360度的范围内自由改变光路切换方向相对于信号光束110的光轴的切换。也同样地改变在第二级和后面级中的设有孔的反射镜62和63的安装位置。

[实例4]

图8示出了实例4中使用的光控制式光路切换型数据分布装置的结构示意图。在图8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中使用的那些相同。

图8的光控制式光路切换型数据分布装置是一种通过经由通过在空间结合方案中将一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，其中组合所有三种控制光束同时打开和关闭，将信号光束120光路切换到光纤5101，5102，5103，5104，5013，5014，5015，和5016的8个方向，从而将数据分配到客户端设备的装置。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。假设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)，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

作为第一级的光路切换机构91的热透镜形成器件，与实例1相似，使用填充有可吸收波长为532nm的信号光束121的色素[1]溶液的色素溶液填充型热透镜形成器件。波长透射率性质也设置为与实例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的直线传播光束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的直线传播光束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传播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11a、图13a和图13b中的位置5对应的位置，即在热透镜器件的光吸收层膜的入射表面附近的位置，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。按照这种方式，前级的光路切换机构的直线传播光束能够直线传播，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11b、图14a和图14b的位置6对应的位置，即在热透镜器件的光吸收层膜的出射表面附近的位置，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6)，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传播信号光束119的光束直径的扩束器331(图6)。

通过进行此种操作，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传播，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传播光束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5101，5102，5103和5104。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5013，5014，5015和5016。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，并且得到相似结果。

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数据分布装置的耐久性，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数据分布装置的偏振依赖性，将一个偏振器件插入每个信号光束及控制光束中，并且在以各种方式改变偏振角时进行实验。结果是，根本检测不到偏振波依赖性。

为了测试实例4的光控制式光路切换型数据分布装置中，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5013，5014，5015，5016，5101，5102，5103，和5104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相对弱的1000∶1～8000∶1(-30～39dB)。

在实例4的光控制式光路切换型数据分布装置中，单个数据服务器设备向8个客户端设备分布数据，响应于控制光束的打开和关闭而切换光路所需的时间是0.5毫秒。因此，响应于图3所示的参考时钟脉冲的ON/OFF，光分组的延迟时间Δt是1毫秒。这样，为一个客户端所分配的数据分配时间最大为(1000/8-1＝)124毫秒。光分组的时间宽度被设置为最大124毫秒；和数据尺寸被设置为最大(10Gbps×0.124秒＝)1.24Gbit，或155MB。

作为图像数据分布实验，将由具有2272×1704像素(每一像素具有32-位彩色信息)的100页高清晰度静止彩色图像组成的120扫150MB数据(每1图像1.2到1.5MB)分布至8个用户中的每一个。数据分布在1秒内成功地完成。

[实例5]

在图10中，示出了实例5的光控制式光路切换型数据分布装置的结构示意图。实例5是一种用光纤耦合型光路切换机构910，920，930，940，950，960，和970(与图9相应)替换实例4的光控制式光路切换型数据分布装置中的空间耦合型光路切换机构91，92，93，94，95，96，和97(与图5或图6相应)所成的装置。在所有的光纤耦合型光路切换机构中，与实例1的光路切换机构相似，调节信号光束和控制光束，使得这些光束聚焦在相应于图11a，13a和13b的位置5的位置处，即在热透镜器件的光吸收层膜的入射表面附近的位置，此外，将设有孔的反射镜61等的孔161等的大小设置到与实例1中使用的相等。在所有的光纤耦合型光路切换机构中，热透镜形成器件的材料和透射率被设置为与实例1中使用的相同。连接每一光纤耦合型光路切换机构的光纤长度设置为10～100m，假设它们使用在普通家庭、医院、办公室中。

为了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功率调节到2到5mW。此外，也调节信号光束光源的输出功率，使得8个出射信号光束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的直线传播出射信号光通过光纤和准直透镜分别进入光接收装置3013，3014，3016，和3017，光路切换的信号光束通过光纤和准直透镜分别进入光接收装置4013，4014，4016，和4017。

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束出射目的地的一一对应关系列于表3中。

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数据分布装置的光响应速度、耐久性、偏振电磁波依赖性和串扰，其结果与实例4获得的结果相同或更好。

实例5的光控制式光路切换型数据分布装置是一种装置，其中，一个数据服务器设备向8个客户端设备分布数据，并且对于每个分布，响应于控制光束的打开和关闭而切换光路所需的时间是0.5毫秒。因此，响应于图3所示的参考时钟脉冲的ON/OFF，光分组的延迟时间Δt是1毫秒。由此，为一个客户端所分配的最大数据分配时间为124毫秒。光分组的时间宽度被设置为最大124毫秒；和数据尺寸被设置为最大1.24Gbit，或155MB。

进行图像数据分布实验，其中，将由具有2272×1704像素(每一像素具有32-位彩色信息)的100页高清晰度静止彩色图像组成的120到150MB数据(每1图像1.2到1.5MB)分布至8个客户端中的每一客户端，其结果是，数据分布在1秒内成功地完成。

本发明提供一种光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法，该方法可以在高速下操作，耐久性高，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

所述的光控制式光路切换型数据分布装置和分布方法优选能够例如在用于将大量数字信息如高清晰度图像数据、高清晰度运动图像数据等从服务器高速地分布到从办公室、工厂、医院、普通家庭等多个客户端中选出的特定客户端中的系统中使用。

Claims (8)

1、一种光控制式光路切换型数据分布装置，用于将数据从数据服务器设备提供到从多个客户端设备中选出的一个或多个特定客户端设备，所述装置包括：

数据服务器设备，数据通信单元和客户端设备，其中：

所述数据通信单元包括：

光开关，光信号通路，光信号发送单元，光信号接收单元，和数据发送/接收控制单元；

所述光信号发送单元包括信号光束光源，用于照射具有一种或多种波长的信号光束，以及控制光束光源，用于照射具有与所述信号光束的波长不同的一种或多种波长的控制光束；

所述光开关包括：

一个或多个光吸收层膜，用于透射所述信号光束和选择性地分别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所述信号光束分别会聚和照射到所述光吸收层膜的每一个上的装置，

一个或多个热透镜形成器件，所述热透镜形成器件响应于是否存在所述一种特定波长的控制光束的照射，通过使用含有所述光吸收层膜并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膜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，使会聚的信号光束出射同时维持光束会聚或用于改变所述信号光束的发散角度并使所述信号光束出射，和

一个或多个反射镜，每个所述反射镜设于一个所述热透镜形成器件之后并具有孔和反射装置，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，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通过利用所述反射装置反射所述信号光束来偏转所述信号光束的光路。

2、如权利要求1所述的光控制式光路切换型数据分布装置，其中

所述数据通信单元照射并发送已分割成多个光分组的任意大小的数字信息，每一个所述光分组含有固定长度或可变长度的光数字信号作为所述信号光束，并且

通过与所述光分组的照射同步地照射代表所述每一个所述光分组的目的地客户端设备的识别信息的光标签作为所述控制光束，来致动所述光开关。

3、如权利要求1或2所述的光控制式光路切换型数据分布装置，其中

所述光吸收层膜含有从下面的色素组成的组中选出的两种(2)或多种色素：

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]，

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]，

4、如权利要求1或2所述的光控制式光路切换型数据分布装置，其中

所述数据服务器设备将数字静止图像数据或运动图像数据分布到从多个客户端设备中选出的一个或多个特定客户端设备。

5、一种光控制式光路切换型数据分布方法，包括：

使用于承载转化成光信号的数据的具有一种或多种波长的信号光束和响应于数据传输目的地而从控制光束光源照射的并具有与所述信号光束的波长不同的一种或多种波长的控制光束基本上同轴且同方向传播；

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特定波长的控制光束的一个或多个光吸收层膜中的每一个上；

在均含有一个或多个光吸收层膜的一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一种特定波长的所述控制光束的所述光吸收膜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特定波长的控制光束的照射，使会聚的信号光束出射并维持所述光束会聚或以比大于正常发散角度的发散角度出射，或以其正常发散角度出射；

使用设有孔并具有反射面的反射镜，响应于是否存在具有所述一种特定波长的所述控制光束的照射，使从所述热透镜形成器件出射的所述信号光束直线传播通过所述孔或通过在所述反射面处反射所述信号光束而改变其光路；

将数据从数据服务器设备分布到从多个客户端设备中选出的一个或多个特定客户端设备。

6、如权利要求5所述的光控制式光路切换型数据分布方法，其中

所述信号光束传输含有已分割成一组固定长度或可变长度的数字信号的任意大小的数字信息的分组，作为光分组；

与照射光分组同步地照射控制光束，作为代表每一个光分组的目的地客户端设备的识别信息的光标签，从而实现所述光分组的光路的改变。

7、如权利要求5或6所述的光控制式光路切换型数据分布方法，其中

所述光吸收层膜含有从下面的色素组成的组中选出的两种(2)或多种色素：

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]，

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]，

8、如权利要求5或6所述的光控制式光路切换型数据分布方法，其中

所述数据服务器设备将医疗用的数字静止图像数据或运动图像数据分布到从多个客户端设备中选出的一个或多个特定客户端设备。

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