CN103124925B - 光路切换装置及光信号光路切换方法 - Google Patents

光路切换装置及光信号光路切换方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的光路切换装置包括缩小光学系统，所述缩小光学系统能够以在垂直于光轴的方向上区分各个会聚点的方式，将沿着重力方向的信号光和控制光引导至具有垂直于重力方向定位的入射面的热透镜形成光学元件中。该装置还包括光接收单元，所述光接收单元配置为使用相同光学元件会聚或聚光未采用所述控制光照射情况下的直线行进信号光和由于采用控制光照射已切换了光路的信号光。另外，该装置还包括设置在光路切换信号光的通过位置处的楔形棱镜，以增加光路改变信号光的光轴和直线行进信号光的光轴之间的距离。

Description

光路切换装置及光信号光路切换方法
技术领域
本发明涉及在诸如光通信和光学信息处理的光电子学领域以及光子学领域中使用的光路切换装置及相关的光信号光路切换方法，该光路切换装置及相关的光信号光路切换方法能够使用热透镜型光控光路切换开关来执行光路的切换。
背景技术
本申请的发明人已发明了基于新原理的光路切换装置及相关方法(参见专利文献l)。所发明的光路切换装置配置为：以在控制光和信号光会聚时所述控制光和所述信号光的光轴彼此一致的方式，采用处于能够由控制光吸收区域吸收的波长带(wavelengthband)的所述控制光以及处于不能由控制光吸收区域吸收的波长带的所述信号光来照射热透镜形成光学元件的控制光吸收区域。
根据上述装置的配置，在采用信号光照射热透镜形成光学元件的控制光吸收区域时，可选择性地采用控制光执行照射。更具体地，在采用控制光的照射和采用信号光的照射未同时执行的情况下，信号光通过镜子的孔并直线行进。
另一方面，如果采用控制光的照射和采用信号光的照射同时进行，则信号光由相对于信号光的行进方向倾斜的并形成有孔的镜子来反射。换句话说，信号光的光路由镜子改变。
在这方面，专利文献1公开了能够使用仅具有一种类型波长的控制光将信号光的行进方向在两个方向之间切换的光控光路切换装置。在专利文献1中讨论的光控光路切换装置在以下描述中称为“一对二型光控光路切换装置”。
另外，本申请的发明人已发明了一种多个热透镜形成光学元件与形成有孔的镜子组合的光控光路切换装置及相关的光信号光路切换方法(参见专利文献2)。
根据所发明的光路切换装置，可以由控制光吸收区域吸收的波长带和控制光的波长成一对一的关系。另外，所发明的光路切换装置使用总共七个热透镜形成光学元件的组合，每一热透镜形成光学元件具有三种类型的控制光吸收区域；例如，所使用的色素具有不同的吸收波长带。
此外，所发明的光路切换装置实现能够通过对具有三种类型波长的控制光进行开-关控制，将服务器的数据分配到八个目的地的光控切换系统。
根据在专利文献1和2中讨论的上述光路切换装置，由于通过采用控制光照射而获得的热透镜效应，使得信号光的射束截面形状改变为环形。因此，在以下描述中将上述光路切换的类型称为“环射束型”。
另外，如在专利文献3至6中公开的，本申请的发明人还提出了其它光路改变方法和光路切换装置。根据所提出的光路改变方法和光路切换装置，发出处于能够由控制光吸收区域吸收的波长带的控制光以及处于不能由控制光吸收区域吸收的波长带的信号光，以使得控制光和信号光两者均进入热透镜形成光学元件的控制光吸收区域，并且会聚在该控制光吸收区域中。在该情况下，控制光的光会聚点与信号光的光会聚点不同。
因此，在光行进方向上，控制光和信号光两者均会聚于控制光吸收区域的入射面或者其附近，并随后各自扩散。结果，在控制光吸收区域中，温度在吸收控制光的区域及其外围区域中局部增加。响应于上述的温度增加，热透镜的结构可逆地改变。折射率实质上改变，并且信号光的行进方向相应地改变。
根据专利文献3至6中讨论的光路改变机制，信号光即使在采用控制光照射的情况下也可以保持射束截面成圆形。因此，上述光路改变机制称为“圆射束型”。
专利文献4和5均公开了能够使用具有单一波长的控制光，将光的行进方向在两个方向之间进行切换的一对二型光控光路切换装置。另外，专利文献5和6均公开了一种光控光路切换装置，该光控光路切换装置可以使用从围绕中心光纤设置的外围光纤之一发出的控制光，将例如从七芯光纤束的中心光纤发出的信号光的光路在七个方向之间进行切换。专利文献5和6中讨论的光控光路切换装置在以下描述中称为“一对七型光控光路切换装置”。
另外，在传统的圆射束型光控光路切换装置中，特别是在一对七型光控光路切换装置中，采用控制光和信号光以控制光和信号光会聚在控制光吸收区域中的不同位置的方式，来照射热透镜形成光学元件。在这方面，因为可以简化信号光束的光轴以及多个控制光束的光轴的定位，并且能够避免使用会对偏振相关性造成不良影响的二向色镜，优选采用专利文献7中所公开的端面紧密排列的多芯光纤束。
另外，专利文献8公开了能够提高热透镜效应的热透镜形成光学元件，除了说明包含在用于热透镜形成光学元件的色素溶液中的溶剂粘度之外还一起说明了溶剂的温度特性。另外，在专利文献6中所讨论的光控光路切换装置使用了当信号光例如在七个方向之间切换时能够检测信号光的七芯光纤束。
专利文献1：JP3809908B
专利文献2：JP3906926B
专利文献3：JP2007-225825A
专利文献4：JP2007-225826A
专利文献5：JP2007-225827A
专利文献6：JP2008-083095A
专利文献7：JP2008-076685A
专利文献8：JP2009-175164A
发明内容
技术问题
当采用包括蚀刻每一单模光纤的包层并捆束多个光纤的处理的方法制造用于传统圆射束型光控光路切换装置的端面紧密排列多芯光纤束时，因为必须确保每一光纤足够的耐久性，因此难以将组成端面紧密排列多芯光纤束的组合光纤的芯中心之间的距离(即，蚀刻处理的包层的直径)设定为小于40μm的短距离。
因此，在端面紧密排列多芯光纤束用作发出信号光和控制光的元件的情况下，如果当控制光被吸收时热透镜区域形成在热透镜形成光学元件中，则所形成的热透镜区域将不足以改变信号光束的光路。控制光功率的使用效率降低。另外，延迟了热透镜效应的响应。
另外，热透镜区域和信号光束之间的相互作用是不充分的。光路改变角无法增大。因此，信号射束检测器必须位于较短的距离内。然而，当每一检测器是光纤时，将难以减小如上所述的检测器之间的距离。
即使可以增大检测器之间的距离，每一光路改变信号光的射束点也将被过度放大。因此，增大了直线行进信号光和相邻光路改变信号光之间的串扰。
另外，如专利文献5所讨论，当使用由相同透镜组成的光学系统以在未采用控制光照射情况以及采用控制光照射情况下从热透镜发出信号光时，简单地将信号光会聚至检测器时，信号光的光轴无法变为与光纤端面垂直。使用该光纤将降低信号光的检测效率。
鉴于上述问题，本发明的目的是提供光路切换装置和光信号光路切换方法，所述光路切换装置和光信号光路切换方法能够将信号光束定位于与当吸收控制光时所形成的热透镜区域相邻的位置，并且能够降低所需的控制光功率，提高热透镜效应的响应，进一步增加信号光的检测效率，并且减少多个光路切换信号光之间以及每一光路切换信号光和直线行进信号光之间的串扰。
问题的解决方案
为了实现上述目的，本发明提供了一种光路切换装置及相关的光信号光路切换方法。
如权利要求1所限定，根据本发明的光路切换装置，包括：
信号光源，能够产生具有一种或多种类型的波长的信号光；
两个或两个以上的控制光源，能够产生具有与所述信号光的波长不同的特定波长的控制光；
热透镜形成光学元件，包括能够透射所述信号光并且选择性地吸收所述控制光的光吸收层；以及
聚光单元，能够以在垂直于所述光轴的方向上区分各个会聚点的方式引导所述控制光和所述信号光会聚在所述光吸收层中；
其中，所述热透镜形成光学元件使控制光和信号光会聚在光吸收层中，并随后在光的行进方向上扩散，从而由于在所述光吸收层中吸收所述控制光的区域及其外围区域局部性发生的温度升高而瞬时性地形成热透镜，并且所述热透镜在所述光吸收层中产生能够改变所述信号光的所述行进方向的折射率分布，以实现光路切换；
另外，设置第一光接收单元和第二光接收单元，以使得由相同光学元件组成的所述第一光接收单元和所述第二光接收单元会聚或聚光由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的直线信号光和由于采用所述控制光的照射已切换光路的信号光；
在所述第一光接收单元与所述第二光接收单元之间设置楔形棱镜，其中，所述楔形棱镜折射由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光和由于采用所述控制光的照射已切换光路的信号光，同时保持光分离状态；并且还
满足以下条件(1)至(5)中的至少一个：
(1)将所述热透镜形成光学元件的信号光入射面设定为垂直于重力方向，并且将入射在所述热透镜形成光学元件的所述信号光和所述控制光的所述行进方向设定为平行于所述重力方向；
(2)所述聚光单元以在垂直于所述光轴的方向上区分各个会聚点并组成缩小投影光学系统的方式使所述控制光和所述信号光会聚在所述光吸收层的入射面上；
(3)所述楔形棱镜具有至少一个设置在与所述光路切换信号光的每一通过位置相对应的部分的楔面；
(4)所述楔形棱镜具有至少一个设置在与所述光路切换信号光的每一通过位置相对应的部分的楔面，以便折射所述光路切换信号光，从而缩小所述光路切换信号光的光轴与由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光的光轴之间的距离；以及
(5)所述热透镜形成光学元件按以下方式定位：当未设置所述楔形棱镜时，由所述第一光接收单元和所述第二光接收单元将所述直线行进信号光和所述光路切换信号光会聚或聚光至同一位置。
如权利要求2所限定，根据本发明的光路切换装置，除了具有权利要求1所限定的光路切换装置的特征之外，进一步的特征在于：所述信号光和所述控制光经由定位在所述热透镜形成光学元件上侧的所述入射面，进入所述热透镜形成光学元件。
如权利要求3所限定，根据本发明的光路切换装置，除了具有权利要求1或2所限定的光路切换装置的特征之外，还包括：
端面紧密排列多芯光纤束，所述端面紧密排列多芯光纤束能够接收由所述第二光接收单元会聚或聚光的未改变行进方向的所述直线信号光和已切换光路的所述信号光。
如权利要求4所限定，根据本发明的光路切换装置，除了具有权利要求1至3中任一项所限定的光路切换装置的特征之外，还包括：
包括中心光纤和六个外围光纤的端面紧密排列七芯光纤束，所述中心光纤具有连接至所述信号光源的非捆束终端，所述六个外围光纤具有分别连接至二至六个控制光源的非捆束终端，每一所述控制光源产生具有与所述信号光的波长不同的波长的控制光。
如权利要求5所限定，根据本发明的光路切换装置，除了具有权利要求1至4中任一项所限定的光路切换装置的特征之外，进一步的特征在于：所述楔形棱镜是六角截断锥棱镜，所述六角截断锥棱镜能够使由于为采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光垂直通过所述六角截断锥棱镜的顶部平面，同时使已切换光路的所述信号光通过所述六角截断锥棱镜的六个楔面中的任一个，从而使每一光均从所述六角截断锥棱镜出射。
如权利要求6所限定，根据本发明的光路切换装置，除了具有权利要求1至5中任一项所限定的光路切换装置的特征之外，进一步的特征在于：所述第一光接收单元和所述第二光接收单元是焦距在1.0mm至3.0mm范围内的球面或非球面凸透镜。
如权利要求7所限定，根据本发明的光信号的光路切换方法包括：
使信号光源产生具有一种或多种类型的波长的信号光；
使两个或两个以上的控制光源产生具有与所述信号光的波长不同的特定波长的控制光；
以在垂直于所述光轴的方向上区分各个会聚点的方式引导所述控制光和所述信号光会聚在热透镜形成光学元件的光吸收层中，所述光吸收层能够透射所述信号光并且选择性地吸收所述控制光；
使所述信号光透射至所述热透镜形成光学元件；
使所述控制光在所述热透镜形成光学元件的所述光吸收层中被吸收，从而由于在所述光吸收层中吸收所述控制光的区域及其外围区域局部性发生的温度升高而瞬时地形成热透镜，并且使所述热透镜在所述光吸收层中产生折射率分布以从而改变所述信号光的行进方向，以实现光路切换；
使由相同光学元件组成的第一光接收单元和第二光接收单元会聚或聚光由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的直线信号光和由于采用所述控制光的照射已切换光路的信号光；
使设置在所述第一光接收单元与所述第二光接收单元之间的楔形棱镜折射由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光和由于采用所述控制光照射已切换光路的信号光，同时保持光分离状态；
其中，满足以下条件(6)至(10)中的至少一个：
(6)将所述热透镜形成光学元件的信号光入射面设定为垂直于重力方向，并且将入射在所述热透镜形成光学元件上的所述信号光和所述控制光的所述行进方向设定为平行于所述重力方向；
(7)所述控制光和所述信号光以在垂直于所述光轴的方向上区分各个会聚点并组成缩小投影光学系统的方式会聚在所述光吸收层的入射面上；
(8)所述楔形棱镜具有至少一个设置在与所述光路切换信号光的每一通过位置相对应的部分的楔面；
(9)所述楔形棱镜具有至少一个设置在与所述光路切换信号光的每一通过位置相对应的部分的楔面，以便折射所述光路切换信号光，从而缩小所述光路切换信号光的光轴与由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光的光轴之间的距离；以及
(10)所述热透镜形成光学元件按以下方式定位：当未设置所述楔形棱镜时，将所述直线行进信号光和所述光路切换信号光会聚或聚光至同一位置。
(发明的效果)
根据本发明的光路切换装置及光信号光路切换方法可以实现以下效果。
第一，本发明可以将执行信号光光路切换操作所需要的控制光功率减小到等于或小于40mW的低水平。
第二，本发明可以以等于或小于10毫秒的较快速度，来实现信号光光路切换操作。
第三，本发明可以将直线行进信号光和相邻光路切换信号光之间的串扰减小至等于或小于-30dB的低水平。
因为光路改变信号光可以垂直进入光纤，因此可以提高光纤的耦合效率。
因为可以由楔形棱镜改变光路改变信号光的行进方向，因此可以合适地设定均检测进入光的两个或两个以上光纤之间的距离。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明第一实施例的光路切换装置；
图2示意性示出了可以用于根据本发明第一实施例的光路切换装置的六角截断锥棱镜；
图3是示出根据本发明实施例的端面紧密排列多芯光纤束的示意性配置的截面图；
图4示意性示出根据本发明第二实施例的光路切换装置；
图5A示出根据本发明的信号光的光路改变状态，其中信号光的光路由于采用控制光的照射而发生改变；
图5B示出根据本发明的信号光的光路改变状态，其中信号光的光路由于采用控制光的照射而发生改变；
图5C示出根据本发明的信号光的光路改变状态，其中信号光的光路由于采用控制光的照射而发生改变；
图5D是示出由具有图5B中一长两短交替虚线的线条环绕的部分的放大图；
图6是示出在光吸收层中光轴间的距离(即，在垂直于光轴的方向上聚光点的信号光和控制光之间的距离)相对于对应的光路改变量(即，光路改变角度)之间的关系的曲线图；
图7示出了直线行进的信号光和光路切换的信号光的射束位置，可以在控制光和信号光在其光轴之间保持30μm的距离的情况下入射到热透镜形成光学元件的光吸收层上，并且从热透镜形成光学元件发出的直线行进信号光10及光路切换信号光11至16入射在射束断面仪的光接收面时测量该射束位置；
图8是示出在根据本发明第一实施例的光路切换装置中的直线行进信号光束和光路切换信号光束的截面的视图，该截面可以在控制光和信号光在其光轴之间保持25μm的距离入射到热透镜形成光学元件的光吸收层上，并且从热透镜形成光学元件发出的直线行进信号光束及光路切换信号光进入射束断面仪的光接收面时进行观测。
图9是绘出在本实施例的最佳状态下获得的值(下文，称为“振幅”)的视图，在本实施例的最佳状态下，控制光21至26的任一个(例如，控制光21)以1：1的占空比间歇打开和关闭并且频率在50Hz至2000Hz的范围内变化，所获得的值为在上述状态下直线行进信号光和光路改变信号光的强度与在控制光持续打开或关闭的参考状态下信号光的强度的比率。
附图标记列表
1：热透镜形成光学元件；2：溶液单元；3：色素溶液(光吸收层)；4；热透镜区域；5：准直透镜；6：聚光透镜；7：光接收透镜；8：耦合透镜；9：六角截断锥棱镜；10：直线行进信号光；11至16：光路改变信号光；20：信号光；21至26：控制光；100：出射侧端面紧密排列七芯光纤束；101：出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的出射侧端面；200：光接收侧七芯光纤束的中心光纤端面；201至206：光接收侧七芯光纤束的外围光纤端面；210：光接收侧七芯光纤束；90：六角截断锥棱镜的顶部平面；91至96：六角截断锥棱镜的楔面；97：六角截断锥的底部平面；31：芯；32：包层；33：粘合剂；34：套圈；27：控制光；52准直透镜；55：二向色镜；110信号光源；111：控制光源；220：直线行进信号光接收光纤；221：光路改变信号光接收光纤；81：热透镜形成光学元件中的会聚(聚光)点处或其附近的控制光的光强度分布；82：热透镜形成光学元件中远离会聚(聚光)点的位置处的控制光的光强度分布；83：热透镜形成光学元件中的控制光的会聚(聚光)点；84：热透镜形成光学元件中信号光的表观会聚(聚光)点；85：在未采用控制光照射情况下热透镜形成光学元件中信号光的会聚(聚光)点；86：在采用控制光照射情况下热透镜形成光学元件中的会聚(聚光)点。
具体实施方式
下文中，将参照附图来对本发明的优选实施例进行以下描述。
【第1实施例】
以下参照图1至图3来描述根据本发明第一实施例的光路切换装置及相关的光信号光路切换方法。
图1示出了根据本发明第一实施例的光路切换装置的示意性配置。如图1示意性示出，根据本发明第一实施例的光路切换装置包括出射侧端面紧密排列七芯光纤束100、准直透镜5、聚光透镜6、热透镜形成光学元件1、用作第一光接收单元的光接收透镜7、用作第二光接收单元的耦合透镜8、用作楔型棱镜的六角截断锥棱镜9、以及光接收侧七芯光纤束210。
另外，该光路切换装置包括牢固地安装在上述主要光学组件的衬底和框架(未图示)。
例如，从具有振荡波长1490nm的信号光源(未图示)发出的信号光可以经由介于其间的空间或光纤与出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的中心光纤耦合。
随后，信号光作为来自出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的端面101的信号光20行进。信号光20到达热透镜形成光学元件1。在没有控制光照射的情况下，信号光20作为直线行进信号光10行进，并随后到达光接收侧七芯光纤束210的中心光纤端面200。
例如，可以从具有振荡波长980nm的2至6个控制光源(未图示)产生控制光。所产生的控制光可以经由介于其间的空间或光纤与组成出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的六个外围光纤的任何一个耦合。随后，控制光从出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的端面101输出。
准直透镜5和聚光透镜6是顺序设置以将从端面101发出的信号光和控制光会聚至热透镜形成光学元件1上的两个凸透镜。
如果透镜能够形成具有小像差的图像，上述凸透镜则可以由单个凸透镜来代替。如果出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的光纤芯之间的中心至中心的距离L是40μm，则可采用使用两个凸透镜(即，准直透镜5和聚光透镜6)的缩小光学系统。原因如下。
如果在热透镜光学元件1中信号光和控制光之间的距离未被设定为等于或小于40μm，则在控制光被吸收时形成的热透镜区域无法充分地影响信号光束的光路改变。控制光功率的使用效率降低。(如果控制光功率恒定，则光路改变角度变小。六角截断锥棱镜9将无法充分地将光路改变信号光与直线行进信号光分离)。
例如，两个凸透镜(即，准直透镜5和聚光透镜6)可以为均具有2mm焦距及0.5数值孔径(NA)的非球面透镜。通过合适地调整上述光学组件(即，出射侧端面紧密排列七芯光纤束100、准直透镜5、聚光透镜6以及热透镜形成光学元件1)之间的距离将有益于将相应光轴之间的距离从40μm缩小至35μm、30μm以及25μm，并且能够使得光到达色素溶液(即，光吸收层)3。
如果能够充分缩小出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的光纤芯之间的中心至中心的距离L，则可以不需要使用缩小光学系统。准直透镜5和聚光透镜6均不限于具有2mm焦距的非球面透镜，而可以是另外的透镜。
光接收透镜7和耦合透镜8是焦距(即，2mm)和数值孔径(即，0.5)等同于准直透镜5和聚光透镜6的非球面透镜。然而，光接收透镜7和耦合透镜8并不限于上述非球面透镜。例如，光接收透镜7和耦合透镜8中的每一个均可以是具有焦距在2mm至8mm范围内的凸透镜。另外，光接收透镜7和耦合透镜8彼此的焦距可以不同。
如果使用的透镜具有较长焦距并且信号光具有1490nm和1310nm两个波长，则将会产生色差。如果焦距等于或小于2mm，色差的影响不会被特别地识别。因此，如果光接收透镜7和耦合透镜8具有8mm的焦距，则期望使用消色差透镜作为光接收透镜7和耦合透镜8。
图3是示出可以用在本发明中的端面紧密排列多芯光纤100的示意性配置的截面图。端面紧密排列多芯光纤100包括七根光纤。例如，可以通过采用氟化氢在单模光纤的包层部分蚀刻具有直径10μm的芯31及外径125μm的包层32的单模光纤，以具有40μm的包层外径，来制造每根光纤。将七根光纤与环氧树脂粘合剂33捆束在一起，并且插入在陶瓷制套圈34的孔中。在粘合剂硬化之后，研磨端面101。
七根光纤在其另一端未被捆束。将端面紧密排列多芯光纤100的中心光纤的未捆束终端连接至信号光源。将六根外围光纤的未捆束终端连接至各自的控制光源。下文，将中心光纤称为“No.0”光纤。将外围光纤称为“No.1”至“No.6”光纤。
图2示出了位于光接收透镜7和耦合透镜8之间的六角截断锥棱镜9的形状示例。图2包括位于其上部的平面图以及位于其下部的侧视图。
例如，当光接收透镜7具有2mm焦距时，六角截断锥棱镜9具有以下尺寸。在图2中，顶部平面90的长度d为0.44mm，并且底部平面97的长度D为8.6mm。六角截断锥棱镜9的厚度是3.0mm。该六角截断锥棱镜9由具有折射率大约为1.5的玻璃构件来制成。楔角θ例如为7.1度或14.0度。
将顶部平面90的长度d设定为0.44mm的原因在于当未照射通过热透镜的控制光时直线行进信号光10能够确定地通过顶部平面90。
例如，如果光接收透镜7和耦合透镜8的焦距为2mm，耦合放大率为1，以及出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的NA为0.1，则光通量的直径变为大约0.4mm。然而考虑到激光束的高斯分布，因此将实际长度d设定为稍大的值(0.44mm)。
因为采用使用了准直透镜5和聚光透镜6的两个凸透镜的缩小光学系统，因此，光接收透镜7和耦合透镜8协作组成了放大光学系统，该放大光学系统能够提高组成光接收侧七芯光纤束210的各个光纤的信号光耦合效率。
因此，当直线行进信号光和光路改变信号光从光接收透镜7发出时，这些光并非完全平行。长度d的实际值与0.4mm会稍有差异。然而，因为放大率小，因此这些光可以近似为平行光。另外，在将光接收透镜7和六角截断锥棱镜9之间的距离最小化时，长度d并不需要很大的改变。如果光接收透镜7和耦合透镜8的焦距改变，则顶部平面90的长度d必须改变。长度d与所使用透镜的焦距成比例。
该六角截断锥棱镜9可以在由热透镜形成光学元件1已改变行进方向一次之后再次改变信号光的行进方向。该六角截断锥棱镜9可以放大光接收侧七芯光纤束的位置处的距离Dx(其表示直线行进信号光的射束点中心和光路改变信号光的射束点中心之间的距离)。
如果楔的倾斜角是如图2所示的θ，当折射率大约为1.5时，已通过楔的光相对于没有插入楔的情况下光的行进方向以大约θ/2的倾斜角朝向楔的较厚侧行进。
例如，当θ＝7.1(度)，光接收透镜7和耦合透镜8的焦距为2mm，以及耦合放大率为1时，距离Dx大约为125μm(Dx≒2000*2*7.1/2/360)。距离Dx与所使用的透镜的焦距成比例。另外，距离Dx与楔的倾斜角θ成比例。例如，通过合适地设定上述数值的组合，距离Dx例如可以增大至250μm或300μm。
在以下描述中，七芯光纤束仅是光接收侧检测器的示例。如果在检测位置的直线行进信号光的射束点中心和光路改变信号光的射束点中心之间的距离很大，例如，当距离Dx等于或大约400μm时，可以不使用七芯光纤束。在该情况下，使用以最优化相对应信号光的检测的方式分别定位和接合的七根单模光纤是有用的。
例如，如果在检测位置的直线行进信号光的射束点中心和光路改变信号光的射束点中心之间的距离是425μm，去除光纤包层，并将中心光纤插入内径150μm至180μm且外径300μm的镍固定管中，并随后在镍管周围接合六个外围光纤是有用的。
如果在检测位置的直线行进信号光的射束点中心和光路改变信号光的射束点中心之间的距离大于上述值，增大镍管的外径将是有用的。
(组件技术S1)热透镜效应的大小：
(S1-1)控制光的功率密度(控制光的功率、聚光条件、光学系统的损耗、以及色素溶液的溶剂沸点)；
(S1-2)热透镜形成光学元件1的性能(色素的浓度和吸收率、色素溶液的黏度和温度特性、色素溶液的液膜厚度、控制光聚光点的位置、溶液单元的形状等)；
(S1-3)热透镜形成光学元件1的光吸收层(色素溶液)上的入射位置处的信号光光轴和控制光光轴之间的位置关系以及光轴之间的距离；
(S1-4)热透镜形成光学元件1的设置方位与重力方向之间的关系及信号光和控制光相对于热透镜形成光学元件1的入射方向和重力方向之间的关系。
(组件技术S2)能够将信号光和控制光引导至热透镜形成光学元件1的光学系统的设计：
(S2-l)采用缩小投影光学系统；
(S2-2)信号光和控制光在光吸收层的厚度方向上的会聚位置。
(组件技术S3)光接收光学系统的设计，该光接收光学系统能够接收从热透镜形成光学元件1发出的直线行进信号光10和光路改变信号光11至16：
(S3-1)对于光接收透镜7和耦合透镜8的焦距选择和组合；
(S3-2)设定六角截断锥棱镜9的楔部分的角θ；
(S3-3)光接收透镜7、六角截断锥棱镜9、耦合透镜8、以及光接收侧七芯光纤束210的端面之间的组件至组件的距离。
(组件技术S4)响应速度
下文，将参照优选实施例对设计组件和操作条件的上述约束进行以下描述。
【组件技术S1】热透镜效应的最佳化
热透镜形成光学元件1包括填充有色素溶液3的硬币型溶液单元2。该溶液单元2例如由两个石英盘和石英间隔物组成。该石英盘和石英间隔物均具有500μm的厚度。溶液单元2的直径处于8mm至10mm的范围内。
例如，用于制造热透镜形成光学元件1的方法包括将有机色素溶解在具有沸点在290℃至300℃范围内的有机溶剂中，该有机色素具有在950nm至1050nm范围内的最大吸收波长，并且不吸收处于信号光的波长带(例如，1310nm至1600nm的范围)中的光。
该方法还包括为溶液单元2填充色素溶液3，该色素溶液3的浓度已预先调整，以实现在液体厚度为500μm并且光的波长为980nm的情况下吸光率等于或大于5.0，并随后采用环氧树脂粘合剂将注入孔密闭。当然，色素溶液3用作色素吸收层。
作为上述有机色素，优选使用作为用在红外线设备中的红外线吸收色素并在市场上可获得的染料，该红外线设备使用YAG激光器作为光源。为了在液体厚度是500μm时达到上述光学浓度，期望将溶液的色素浓度设定在0.1重量％至0.5重量％的范围内，尽管最优值将取决于色素的着色力的变化而变化。
如果任何其它有机色素具有上述溶解性和光吸收特性，并且在溶液状态下(即，在有机色素溶解在以下溶剂中的状态)即使在采用具有吸收波长带的激光对该有机色素进行长时间照射时以及即使温度瞬间增加到多达300℃时也不会分解，则也可以使用该有机色素，而不必理会其化学结构。
通常已知采用光的照射会按以下方式造成色素的劣化。在空气中的基态下三重态氧分子接收由色素吸收的光能量，并成为使色素氧化的活性且激发的单态氧分子。为了防止上述化学反应，预先执行提纯处理以去除保留在色素溶液3中所溶解的氧分子，以使得为溶液单元2填充提纯的色素溶液3是有用的。
另外，建议使用包含以下四种结构异构体成分(分子量相同)的混合溶剂作为上述有机溶剂。
·第1成分：1-苯基-1-(2，5-二甲苯基)乙烷
·第2成分：1-苯基-1-(2，4-二甲苯基)乙烷
·第3成分：1-苯基-1-(3，4-二甲苯基)乙烷
·第4成分：1-苯基-1-(4-乙基苯基)乙烷
包含上述四种结构异构体成分的混合溶剂优选用于热透镜形成光学元件1，因为相比于具有大约300℃的沸点的其它有机溶剂而言，该溶剂的黏度和黏度对温度的依赖度非常小。然而上述混合溶剂的不利之处在于其趋于受到空气中氧分子的氧化。如上所述，该问题可通过以下方式来解决：预先进行提纯处理以去除溶解的氧分子，以使得为溶液单元2填充提纯的色素溶液3。
控制光功率的上限取决于使用上述溶剂的色素溶液的沸点的变化而变化。更具体地，如果控制光功率增大，当热透镜形成区域的最大温度达到溶剂的沸点时，产生的气泡将妨碍信号光的传送。
另外，在温度达到沸点之前，微小的气泡将会产生，并散射信号光射束从而增大了射束直径。因此为了最有效地利用热透镜形成光学元件1的热透镜效应，在控制光进入热透镜形成光学元件1之前，期望将控制光功率的上限设定为比沸腾开始水平低5％至10％。
另外，由于控制光源的温度变化，控制光输出发生振荡。在考虑振荡输出的变化宽度时，如果控制光功率仅低于沸腾开始水平5％，则控制光输出由于输出的变化可能会到达沸腾开始水平。
因此，为了最有效地利用热透镜形成光学元件1的热透镜效应，在控制光进入热透镜形成光学元件1之前，期望将控制光功率的上限设定为比沸腾开始水平低8％至10％。
控制光功率的期望值取决于聚光光学系统的设计条件而变化，该聚光光学系统配置为将控制光和信号光会聚至热透镜形成光学元件1中，该聚光光学系统例如可以为由图1所示的透镜5和6组成的缩小光学系统。
例如，在由光接收侧七芯光纤束210接收光的情况下，如果透镜5和6是具有2mm焦距的非球面凸透镜，并以接近衍射极限的方式来严格执行射束会聚，则将控制光功率的绝对值设定在大约20mW至50mW的范围内。
如果控制光功率超过50mW，色素溶液将开始沸腾。为防止色素溶液的沸腾，并以本实施例描述的最佳条件下，当相对于光接收侧光纤的耦合效率等于或大于60％并且在相邻通道之间的串扰等于或小于-30dB时，可以进行信号光在七个方向之间的切换。基本上，输入到热透镜形成光学元件1的控制光的功率不受透镜5和6的焦距影响。
为了减小控制光和信号光由于在光学组件的表面反射而造成的损耗，建议在所使用的光学组件的表面(即，透镜、热透镜形成光学元件、六角截断锥棱镜，等)以及出射侧端面紧密排列七芯光纤束的端面和光接收侧七芯光纤束上涂覆抗反射涂层。合适的传统已知的元件可以用作抗反射涂层材料。
关于在热透镜形成光学元件1的光吸收层(色素溶液)上的入射位置处的信号光光轴和控制光光轴之间的位置关系与距离，期望以在垂直于光轴的方向上将控制光的会聚点区别于信号光的会聚点的方式，引导控制光和信号光会聚在光吸收层中。
例如，可以通过使用缩小光学系统来最大化热透镜效应，该缩小光学系统可以将出射侧端面紧密排列七芯光纤束的输出侧的信号光光轴和控制光光轴之间的距离(例如，40μm)缩小到在热透镜形成光学元件1的光吸收层(色素溶液)上的入射位置处在20μm至25μm范围内的短距离。
如果光轴之间的距离短于20μm，光路改变信号光入射至光接收侧光纤的效率由于射束截面形状的毁坏而降低。
图6示出在光吸收层中光轴之间的距离(即，在垂直于光轴的方向上聚光点处的信号光和控制光之间的距离)相对于对应的光路改变量(即，光路改变角)的示例。如果光轴之间的距离变得越短，光路改变角就变得越大。如果光路改变角变得越大，则可以将直线行进信号光和光路改变信号光有效分离，并且可以减少检测信号(信息)的串扰。
热透镜形成光学元件l的光吸收层(色素溶液)在已吸收控制光的区域根据顺序出现的现象“温度增加→热膨胀→密度减小＝折射率减小”，来形成热透镜。由于发生在流体中的热对流而引起低密度部分向上移动(即，与重力相反的方向)
因此，为了稳定热透镜的形状并最大化热透镜效应，执行以下设定将是有用的，即，确定热透镜形成光学元件1相对于重力方向的设置方位，以及还确定入射在热透镜形成光学元件1上的信号光和控制光相对于重力方向的方向。
更具体地，将热透镜形成光学元件1的信号光入射面设定为垂直于重力方向。另外，将入射在热透镜形成光学元件上的信号光和控制光的行进方向设定为平行于重力的方向。
设定成如上所述的装置和操作方法，对于防止形成在热透镜形成光学元件1的光吸收层(色素溶液)中的热透镜区域免遭对流的影响是有效的。因此，热透镜区域可以稳定地保持在溶液单元中的相同位置处。因此，可以将控制光功率极有效地用于提高热透镜效应。
另外，即使当多个控制光的照射位置相对于信号光束而言是不同的，所形成的热透镜的形状以及给信号光造成的影响也可以变得均匀。
假定以下比较实施例用作与本实施例进行比较的装置和操作方法的设定示例。
第一，如以下比较实施例1所述，可以将热透镜形成光学元件的信号光入射面设定为平行于重力的方向，而可以将入射在热透镜形成光学元件上的控制光和信号光的行进方向设定为垂直于重力的方向。
第二，如以下比较实施例2所述，可以将热透镜形成光学元件1的信号光入射面设定为垂直于重力的方向，而可以将入射在热透镜形成光学元件1上的控制光和信号光的行进方向设定为相反于重力的方向。
在任一情况下，当与本实施例相比时，热透镜效应的使用效率劣化。另外，因为出现了不期望的现象，光路的改变度会取决于控制光照射位置的变化而变化，或者，光路改变信号光的射束位置会响应于热透镜效应的暂时性变化而发生移动。
【组件技术S2】对光学系统进行最优化设计，该光学系统配置为将信号光和控制光引导至热透镜形成光学元件1：
如上所述，将从出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的中心光纤中发出的信号光的光轴和从外围光纤中发出的控制光的光轴之间的距离例如设定为40μm。在该情况下，可以通过由准直透镜5和聚光透镜6组成的缩小投影光学系统按以下方式来最大化热透镜效应。
更具体地，缩小投影光学系统以能够在垂直于光轴的方向上区分各个会聚点的方式，来引导控制光和信号光会聚在热透镜形成光学元件1的光吸收层(色素溶液)中。信号光的光轴和控制光的光轴之间的距离可以缩小至在20μm至30μm范围内的短距离。
在该情况下，期望合适地组合具有与准直透镜5和聚光透镜6相同的焦距的两个凸透镜。例如，每一个均具有2mm焦距和0.5数值孔径(NA)的两个非球面凸透镜可以被组合，并可用作组成缩小光学系统的准直透镜5和聚光透镜6。
光路切换信号光的形状在光吸收层的厚度方向上取决于信号光和控制光的会聚位置而变化。图5A、图5B及图5C示出了信号光由于采用控制光的照射而造成光路改变状态的示例。另外，图5D是示出由具有图5B中一长两短交替虚线的线条环绕的部分的放大图。尽管如果光吸收层3的折射率不同于围绕光吸收层的溶液单元2的折射率，将会发生光的折射，然而为了简化以下描述，不考虑图5A、图5B及图5C中光的折射。
图5A、图5B及图5C示出了在热透镜形成光学元件1的光吸收层3中在会聚(聚光)点处或其附近的光强度分布81以及远离会聚(聚光)点的位置处的控制光的光强度分布82。图5A、图5B及图5C还示出了控制光的会聚(聚光)点83、在未采用控制光照射情况下信号光的会聚(聚光)点85、在采用控制光照射情况下信号光的会聚(聚光)点86、以及信号光的表观会聚(聚光)点84。
作为激光束的光路的示意图，图5A示出控制光和信号光在光吸收层3的入射面上的会聚(聚光)。图5B示出控制光和信号光在相对于光吸收层3的入射面而向内定位(数十微米)的点处的会聚(聚光)。图5C示出控制光和信号光在远离光吸收层3的入射面的更进一步的内部位置处的会聚(聚光)。
在未采用控制光照射的情况下，信号光直线行进。在采用控制光照射的情况下，信号光改变其光轴。已通过光吸收层3的信号光会聚(聚光)在图1所示的检测器201至206上，仿佛信号光是从图5A至图5D所示的光吸收层3中的信号光的表观会聚(聚光)点84中发出。
如图5A所示，未采用控制光照射情况下的信号光的会聚(聚光)点85与采用控制光照射情况下的信号光的会聚(聚光)点86一致。信号光的表观会聚(聚光)点84与会聚(聚光)点85(或86)间隔开。
信号光会聚(聚光)在热透镜形成光学元件中。尽管在图中未示出，然而信号光在靠近控制光定位的部分弯曲极大并受到控制光的极大影响。另一方面，信号光远离控制光所间隔的部分弯曲并没有如此大。
根据图5A所示的示例，在入射面上的射束直径最小，并随着与入射面的距离的增大而逐渐增大。因此，根据图5A所示的示例，信号光在接近控制光定位的相同部分受到控制光恒定并很大的影响。因此，在该情况下，会聚(聚光)的信号光的射束截面形状变为月牙形而非圆形。
在图5B所示的示例中，控制光和信号光的位置关系不同于图5A所示的位置关系。然而，光吸收层3的位置略微朝向控制光和信号光的入射侧偏移。因此，控制光和信号光会聚(聚光)在相对于光吸收层3向内定位的点处。在该情况下，可以将未采用控制光照射情况下的信号光的会聚(聚光)点85设定为与信号光的表观会聚(聚光)点84基本一致。
根据图5D所示的放大图可以明白，会聚(聚光)点84与会聚(聚光)点85一致。会聚(聚光)点86与会聚(聚光)点84(或85)略微间隔分开。根据图5B所示的示例，因为在会聚(聚光)点86处切换信号光接近控制光定位的部分，因此控制光的影响可以变得均匀。因此，可以相信会聚(聚光)的信号光的射束截面形状成为圆形而未造成任何畸变。
在图5C所示的示例中，控制光和信号光会聚(聚光)在远离光吸收层3的入射面的更进一步的内部。信号光的表观会聚(聚光)点84与采用控制光照射情况下的信号光的会聚(聚光)点86基本一致。
当控制光在热透镜形成光学元件1中行进时，由热透镜形成光学元件1吸收控制光。因此，光量逐渐降低，并且在与入射面间隔(例如，200μm至300μm)的内部位置处无法获得热透镜效应。
根据图5C所示的示例，信号光会聚在信号光基本上不受控制光影响的位置。因此，信号光在通过会聚(聚光)点86之后并未弯曲。然而，因为信号光在与图5A所示部分相反的部分受到控制光很大的影响，因此在信号光到达会聚(聚光)点86之前有很大弯曲。因此，可以相信信号光的射束截面形状并未成为圆形。
在本实施例中，执行用于热透镜形成光学元件1，即，光吸收层3的位置调整，以保持光路改变信号光的射束截面为如图5B所示的圆形射束。在该情况下，如果未设置六角截断锥棱镜，由于缺乏采用控制光照射而使得未改变行进方向的直线信号光和由于采用控制光照射而使得已改变光路的信号光会聚(聚光)至在检测器的光接收位置的同一点。
更具体地，如果执行保持信号光为圆形射束截面形状以提高耦合效率的光路切换，则未采用控制光照射情况下的信号光的会聚(聚光)点85与信号光的表观会聚(聚光)点84一致。换句话说，在两个会聚(聚光)点85和84之间的位置关系是“固定的”。因此，难以分离地检测直线行进信号光和光路改变信号光。
因此，作为新颖的且唯一的装置配置，在光接收透镜7和耦合透镜8之间设置六角截断锥棱镜9是有用的。六角截断锥棱镜9使得直线行进信号光能够直线行进，而不造成任何弯曲。另一方面，六角截断锥棱镜9使得光路改变信号光以相对于直线行进信号光的倾斜角度行进。
因此，可以以较高的耦合效率，使用位于充分间隔分开的位置处的不同光纤来接收和检测直线行进信号光和光路改变信号光。
因此，可以大大减少直线行进信号光和光路改变信号光的串扰。例如，如果使用图5A中所示的设置，在未使用楔型棱镜的情况下，可以大大改变直线行进信号光和光路切换光的射束位置。然而，光路改变信号光的射束截面形状大大偏离具有高斯分布的圆形射束。因此，在由光纤接收和检测信号光时，耦合效率大大减小。另外，信号光本身存在很大衰减并且无法实际使用。
【组件技术S3】对光接收光学系统进行最优化设计，该光接收光学系统配置为接收从热透镜形成光学元件1发出的直线行进信号光10和光路改变信号光11至16。
第一设计设定因素包括对光接收透镜7(第一光接收单元)的设定，该光接收透镜7接收从热透镜形成光学元件1中发出的直线行进信号光(即，在未采用控制光照射的情况下的信号光)10和光路改变信号光(即，在采用控制光21至26照射的情况下的信号光)11至16。第一设计设定因素还包括设定耦合透镜8(第二光接收单元)，该耦合透镜8将直线行进信号光10和光路改变信号光11至16耦合至光接收侧七芯光纤束210的光纤端面的芯。
根据光纤到户(FTTH)，将波长为1490nm的信号光用作下行链路信号而波长为1310nm的信号光用作上行链路信号，这受到取决于透镜的折射率波长的影响。如果在没有消色差透镜的情况下针对一个波长来最优化光学系统，则在另一波长光纤耦合效率降低。
表1示出了在光接收透镜7和耦合透镜8具有相同的焦距条件下，以8mm、2.75mm以及2.0mm三个焦距测量的实验性获得的光纤耦合效率。根据表1可以明白，当焦距等于或小于2.75mm时，光纤耦合效率的波长依赖性变得非常小。
在透镜具有8mm焦距的情况下，如果以1550nm的光进行光学系统调整，则以1310nm的光测量的光纤耦合效率小于以1550nm的光测量的耦合效率。相似地，如果以1310nm的光进行光学系统调整，则以1550nm的光测量的光纤耦合效率小于以1310nm的光测量的耦合效率。
光接收透镜7和耦合透镜8的最小焦距实际上为1.0mm。如果将焦距设定为较小值，当透镜移动时，透镜7或8可能会撞到六角截断锥棱镜9。简而言之，当光接收透镜7(第一光接收单元)和光接收透镜8(第二光接收单元)是具有1.0mm至3.0mm焦距的球面或非球面透镜时，即使在未使用消色差透镜时也不会受到信号光的波长差的任何影响。
表1
通过热透镜形成光学元件1的信号光由光接收透镜7和耦合透镜8会聚至光接收侧七芯光纤束。因为缩小光学系统由准直透镜5和聚光透镜6的两个凸透镜组成，因此在由光接收透镜7和耦合透镜8聚光时，期望放大信号光以使得光接收侧七芯光纤束能够有效检测信号光。例如，如果信号光由准直透镜5和聚光透镜6以0.8的缩小率缩小，则期望由光接收透镜7和耦合透镜8以1.25的放大率放大信号光。
在表1中，因为难以由光接收透镜7和耦合透镜8来最优化该放大率，因此当透镜的焦距是8mm时耦合效率是相对小的。
耦合透镜8和六角截断锥棱镜9之间的距离需要能够使得已通过六角截断锥棱镜9并由于采用控制光照射而已被切换光路的信号光通过耦合透镜8的入射侧焦点附近的一个点，以使得信号光可以垂直到达用作检测器200至206的相应单模光纤的端面。
因此，不能将光接收透镜7和耦合透镜8之间的距离设定为非常小的值。例如，在光接收透镜7和耦合透镜8的焦距是2mm，六角截断锥棱镜9的楔角为7.1度，并且准直透镜5和聚光透镜6的缩小率是0.8时，期望将光接收透镜7和耦合透镜8之间的距离设定在10mm至25mm的范围内。
第二设计设定因素包括插入在光接收透镜7和耦合透镜8之间的楔。当使用七芯光纤束时，期望将所需的六块楔整合为如图2所示的六角截断锥棱镜9。在该情况下，直线行进信号光10从顶部平面90进入六角截断锥棱镜9，并且从底部表面97离开。另一方面，光路改变信号光11至16通过围绕顶部平面90定位的楔面91至96，并被折射，从而增大直线行进信号光的光轴和光路改变信号光的光轴之间的距离。
第二设计设定因素还包括用于防止光路改变信号光的射束点与直线行进信号光的射束点在图像形成位置重叠的设定。上述设定有效减小了直线行进信号光和光路改变信号光之间的串扰，以及相邻的光路改变信号光之间的串扰。
如上所述，缩小光学系统由准直透镜5和聚光透镜6的两个凸透镜组成。在由光接收透镜7和耦合透镜8聚光时，期望放大信号光以使得光接收侧七芯光纤束能够有效检测信号光。
例如，如果信号光由准直透镜5和聚光透镜6以0.8的缩小率缩小，则期望由光接收透镜7和耦合透镜8以1.25的放大率放大信号光。如果光接收透镜7和耦合透镜8具有2mm的焦距，并且将光接收透镜7和耦合透镜8之间的距离设定为20mm以便实现信号光1.25倍的放大，则当光已通过光接收透镜7时，将发生大约0.3度的聚光。因此当将距离Dx设定等于125μm时，楔角θ必须设定为≒6.5度，这被缩小0.3度的量。可替换地，如果楔的角度是θ＝7.1度，则必须将距离Dx设定为小的值(大约115μm)。
如果由于放大率的增大而造成信号光偏离平行光，当信号光通过六角截断锥棱镜9的楔部分时将产生信号光的像差。然而，如果改变光接收透镜7的焦距和耦合透镜8的焦距以实现放大，则信号光可以保持为平行光并可通过六角截断锥棱镜9而不会造成任何像差。例如，为了以1.25的放大率实现光的放大，期望将光接收透镜7的焦距设定为1.6mm，并且将耦合透镜8的焦距设定为2mm。
当未采用控制光照射热透镜形成光学元件1时，信号光直线行进并到达顶部平面部分。即，信号光直线行进而未改变其光路。另外，六角截断锥棱镜9按以下方式来设定：已通过六角截断锥棱镜9的楔部分的光路改变信号光行进在与未采用控制光照射情况下的直线行进信号光交叉的方向上。
如图1所示，六角截断锥棱镜9和耦合透镜8之间的距离按以下方式来设定：已通过六角截断锥棱镜9的信号光在通过耦合透镜8之后可以垂直到达相应的单模光纤(光接收侧七芯光纤200至206)的端面。
为了使得光能够垂直进入接收侧七芯光纤，期望已由楔改变光路的信号光能够通过耦合透镜8的入射侧焦点。当信号光能够从光纤端面垂直进入光纤时，可以在检测器(光纤)处最大化信号光的入射效率。将单模光纤(检测器200至206)设定为基本上平行于光轴。
棱镜可以配置为具有与上述六角截断锥形状不同的形状。例如，棱镜可以为在其中心凹进的平面玻璃构件，以便具有反置的六角截断锥形状。在该情况下，可以增加在光接收侧七芯光纤束的位置处的直线行进信号光和光路改变信号光的射束点中心之间的距离Dx。然而，难以使得信号光垂直进入相应单模光纤的端面(光接收侧七芯光纤200至206)。
根据图1所示的六角截断锥棱镜9，顶部平面用作入射面，而底部平面用作出射面。然而，也可以将六角截断锥棱镜9颠倒放置，以使得顶部平面用作出射面，而底部平面用作入射面。
第三设计设定因素包括设定六角截断锥棱镜9的楔(wedge)角θ以及确定组成光接收侧七芯光纤束的外围光纤的中心之间的距离。
在检测器位置处的直线行进信号光的光轴和光路改变信号光的光轴之间的距离Rout可以基于六角截断锥棱镜9的倾斜角θ和耦合透镜8的焦距f，按以下方式来计算。
【数字表达式1】
Rout＝f*tan(ωout).........(1)
在公式1中，ωout表示来自六角截断锥棱镜9的光的出射角(即，相对于垂直六角截断锥棱镜9的顶部平面的线的角，该角在与垂直线交叉时取正值)。出射角ωout可以按以下方式来给定。
【数字表达式2】
ωout≒2*(nl/n0-l)*(θ/2)+ωin……….(2)
在公式2中，n1表示六角截断锥棱镜9的折射率、n0表示围绕六角截断锥棱镜9的介质(例如，在本实施例中的空气)的折射率、以及θ表示六角截断锥棱镜9的倾斜角。另外，ωin表示进入六角截断锥棱镜9的光的入射角(即，相对于垂直六角截断锥棱镜9的顶部平面的线的角，该角在其与垂直线交叉时取正值，在其偏离垂直线时取负值)。
当耦合透镜8的焦距为2mm，六角截断锥棱镜9的倾斜角θ为7.1度，nl＝1.5，n0＝1.0，并且直线行进信号光与光路改变信号光大致平行(ωin＝0)时，在检测器位置处的直线行进信号光和光路改变信号光的光轴之间的距离Rout为125μm。
已通过六角截断锥棱镜9的信号光进入并通过耦合透镜8，并随后从单模光纤的端面垂直进入单模光纤(即，检测器)。在该情况下，耦合透镜8和六角截断锥棱镜9之间的距离X可以按以下方式来计算。
当r1表示在六角截断锥棱镜9上的入射位置与光轴的距离时，耦合透镜8上的入射位置r2可以按以下方式给出。
【数字表达式3】
r2≒r1-tan(θ/2)*X……….(3)
当r3表示已通过耦合透镜8的信号光的会聚(聚光)点与光轴的距离时，距离r3可以基于耦合透镜8的焦距按以下方式来计算。
【数字表达式4】
r3＝-f*tan(θ/2)………(4)
当将检测器定位在与光轴的距离为r3时，并且如果考虑进入光纤的光的入射效率时，可以满足以下关系。
【数字表达式5】
r2＝r3
根据公式(3)和(4)式：
【数字表达式6】
-f*tan(θ/2)≒rl-tan(θ/2)*X
∴X＝f+rl/tan(θ/2)………(5)
更具体地，在耦合透镜8和六角截断锥棱镜9之间可以最大化进入光纤(即，检测器)的光的入射效率的距离X可以为：将光会聚(聚光)到光纤(即，检测器)的耦合透镜8的焦距f加上将六角截断锥棱镜9的入射光与光轴的距离r1除以六角截断锥棱镜9的倾斜角的正切值所获得的值。例如，当耦合透镜8的焦距是2mm，并且六角截断锥棱镜9的倾斜角是7.1度时，耦合透镜8和六角截断锥棱镜9之间的距离X为大约9mm。
上述计算是基于将单模光纤(即，检测器200至206)设定为基本平行于光轴的假设。如果单模光纤(即，检测器200至206)不平行于光轴，则必须校正光轴的倾斜度。
图8示出了直线行进信号光和光路切换信号光的射束截面，当满足以下条件时可以观察上述射束截面。控制光的光轴和信号光的光轴之间的距离是25μm。信号光首先进入热透镜形成光学元件1的光吸收层。随后，在通过热透镜形成光学元件1之后，直线行进信号光束和光路切换信号光束到达并通过具有7度楔角的六角截断锥棱镜。最后，信号光到达射束断面仪的光接收表面。根据图8可以明白，应当理解，在未造成每一射束的圆形变形的情况下能够实现在七个方向之间的光路切换。
【组件技术S4】光路切换速度：
在本实施例的最佳状态下，控制光21至26中的任一个(例如，控制光21)以1：1的占空比打开和关闭。在该情况下，频率在50Hz至2000Hz的范围内变化。图9是绘出了作为在上述状态下直线行进信号光和光路改变信号光的强度与在控制光持续打开或关闭的参考状态下信号光的强度之比所获得的值的曲线图。
例如，当控制光21以50Hz的频率(即，采用20毫秒的周期)间歇性打开和关闭时，直线行进光和光路改变光的强度等同于在控制光持续打开或关闭的参考状态下信号光的强度。因此，振幅等于1.0。
直线行进光和光路改变光的强度根据控制光的打开和关闭在半个周期期间(即，10毫秒)从0.0改变至1.0，或从1.0改变至0.0。
更具体地，频率倒数的一半(1/2)，即半个周期可以称为在对应于控制光打开和关闭的信号光光路切换操作中的“响应时间”。当调整光学系统时，直线行进光或光路改变光的响应时间趋于更快。
根据图9所示示例，光路改变光比直线行进光更快地达到1.0的振幅级。对于信号光，需要达到1.0的振幅级的响应时间在直线行进光的情况下大约为5毫秒，而在光路改变光的情况下大约为2.5毫秒。
普通电开关的响应时间等于达到1/√2信号强度级，即0.707振幅级所需要的时间。在图9所示的示例中，如果定义光路切换时间等于达到大约0.7振幅级所需要的响应时间，光路切换时间在直线行进光的情况下大约为2.5毫秒，而在光路切换光的情况下大约为0.9毫秒。
【组件技术综合】作为光路切换装置的总体性能
在上述实施例中，以最优化光路切换操作中的响应时间的方式来进行光学系统的调整。除了响应速度以外，一对七型光路切换操作中的通道之间的串扰和光接收侧光纤的耦合效率(即，光路切换装置的插入损耗)也是重要的光路切换特性。
通过充分组合上述各种特性能够以本实施例可获得的最佳模式而同时获得的特性值如下所述。
·光路切换操作中的响应时间：10毫秒以内。
·直线行进信号光和六个光路切换光之间的串扰：-30dB以内。
·光路切换装置的插入损耗：2.5dB以内。
【比较实施例1】
作为与本发明第一实施例相比较的相关装置和操作方法的示例设定，将热透镜形成光学元件1的信号光入射面设定为平行于重力方向，而将入射在热透镜形成光学元件1上的信号光和控制光的行进方向设定为垂直于重力方向。
组成出射侧端面紧密排列七芯光纤束100的外围光纤NO.l至NO.6的布局在旋转180度时，将对应于组成光接收侧七芯光纤束的外围光纤NO.l至NO.6的布局。然而在出射侧端面紧密排列七芯光纤束100中，外围光纤NO.l至NO.2定位在其下侧，而外围光学NO.4至NO.5定位在其上侧。组成装置的光学组件基本相似于第一实施例所描述的光学组件。
图7示出在直线行进信号光10和光路切换信号光11至16从热透镜形成光学元件1发出时，在射束断面仪(未图示)的光接收透镜7的位置实际测量的直线行进信号光和光路切换信号光的射束位置。
在图7中，每一黑色圆形标记表示使用根据第一实施例的系统实际测量的射束位置，而每一方形标记表示使用根据比较实施例1的系统实际测量的射束位置。根据比较实施例1，因为热透镜形成光学元件1平行于重力方向而控制光的行进方向垂直于重力方向，因此连接光路改变信号光的射束位置的六角形是在上下方向上被压缩的平面六角形(并非正六角形)。
更具体地，形成在热透镜形成光学元件1的光吸收层中的低密度热透镜区域在溶液单元中“浮动(向上移动)”。因此，如果在热透镜中将信号光定位高于控制光，则信号光将受到更大的热透镜效应。在上述公式(2)中，ωin具有负值，并且ωout变小。因此，如根据公式(1)所理解的，距离Rout变得更小。
另一方面，如果在热透镜中将信号光定位低于控制光，信号光将受到略微较小的热透镜效应。然而，相比于在热透镜中将信号光定位高于控制光的情况，影响并不是如此的显著。另外，在图7的“左右”方向上，热对流的影响基本可以忽略。
【比较实施例2】
作为与本发明第一实施例相比较的相关装置和操作方法的示例设定，将热透镜形成光学元件1的信号光入射面设定为垂直于重力方向，而将入射在热透镜形成光学元件1上的信号光和控制光的行进方向设定为相反于重力方向。与光学组件相关的剩余特征相似于第一实施例中所述特征。
根据比较实施例2，相比于第一实施例中获得的热透镜效应，由比较实施例2获得的热透镜效应非常小。由直线行进信号光形成的图像和由光路改变信号光形成的图像之间的距离小于使用图7中的黑色圆形标记所表示的距离。
另外，识别出与光路改变信号光的图像形成位置有关的“波动”。造成这个的原因在于如果低密度的热透镜区域形成在热透镜形成光学元件1的光吸收层的下方，则低密度的热透镜区域在具有厚度500μm的溶液中逐渐上升。因此，作为控制光提供的能量无法有效地用于改变信号光的光路的热透镜。另外，可以推测热对流中的波动会给信号光的光路改变造成不利的影响。
【第2实施例】
图4示出根据本发明第二实施例的光路切换装置的示意性配置。
第二实施例的特征在于由二向色镜55来代替在第一实施例中使用的出射侧端面紧密排列七芯光纤束100。将准直信号光20的光轴和准直控制光27的光轴之间的距离设定落入20μm至25μm的范围内，以使得会聚光能够进入热透镜形成光学元件1的光吸收层。
另外，第二实施例与第一实施例的不同之处在于：光接收侧七芯光纤束210由直线行进信号光接收光纤220和光路改变信号光接收光纤221来代替。根据第二实施例的光路切换装置的剩余元件相似于第一实施例中所述的元件。
在这方面，根据第二实施例的光路切换装置是配置为沿着重力方向向下发出信号光和控制光的一对二型光路切换装置。尽管用于混合信号光和控制光(其光轴彼此并不一致)的方法不同，然而第二实施例可以带来相似于第一实施例所描述的效果。
尽管已参照示例性实施例描述了本发明，然而应当理解本发明并不限于所公开的示例性实施例。另外，本申请要求于2010年3月31日提交的日本专利申请No.2010-083747的优先权，该日本专利申请以其整体内容通过参考纳入于本文中。

Claims (7)

1.一种光路切换装置，包括：
信号光源，能够产生具有一种或多种类型的波长的信号光；
两个或两个以上的控制光源，能够产生具有与所述信号光的波长不同的特定波长的控制光；
热透镜形成光学元件，包括能够透射所述信号光并且选择性地吸收所述控制光的光吸收层；以及
聚光单元，能够以在垂直于所述光轴的方向上区分各个会聚点的方式引导所述控制光和所述信号光会聚在所述光吸收层中；
其中，所述热透镜形成光学元件使所述控制光和所述信号光会聚在所述光吸收层中，并随后在光的行进方向上扩散，从而由于在所述光吸收层中吸收所述控制光的区域及其外围区域局部地发生的温度升高而瞬时地形成热透镜，并且所述热透镜在所述光吸收层中产生能够改变所述信号光的行进方向的折射率分布，以实现光路切换；
设置第一光接收单元和第二光接收单元，以使得由相同光学元件组成的所述第一光接收单元和所述第二光接收单元会聚或聚光由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的直线信号光和由于采用所述控制光的照射已切换光路的信号光；
在所述第一光接收单元与所述第二光接收单元之间设置楔形棱镜，其中，所述楔形棱镜折射由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光和由于采用所述控制光的照射已切换光路的信号光，同时保持光分离状态；并且还满足以下条件(1)至(5)中的至少一个：
(1)将所述热透镜形成光学元件的信号光入射面设定为垂直于重力方向，并且将入射在所述热透镜形成光学元件上的所述信号光和所述控制光的行进方向设定为平行于所述重力方向；
(2)所述聚光单元以在垂直于所述光轴的方向上能够区分各个会聚点并组成缩小投影光学系统的方式使所述控制光和所述信号光会聚在所述光吸收层的入射面上；
(3)所述楔形棱镜具有至少一个设置在与所述光路切换信号光的每一通过位置相对应的部分的楔面；
(4)所述楔形棱镜具有至少一个设置在与所述光路切换信号光的每一通过位置相对应的部分的楔面，以便折射所述光路切换信号光，从而缩小所述光路切换信号光的光轴与由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光的光轴之间的距离；以及
(5)所述热透镜形成光学元件按以下方式定位：当未设置所述楔形棱镜时，由所述第一光接收单元和所述第二光接收单元将所述直线行进信号光和所述光路切换信号光会聚或聚光至同一位置。
2.根据权利要求1所述的光路切换装置，其中，所述信号光和所述控制光经由定位在所述热透镜形成光学元件上侧的所述入射面，进入所述热透镜形成光学元件。
3.根据权利要求1或2所述的光路切换装置，还包括：
端面紧密排列多芯光纤束，所述端面紧密排列多芯光纤束能够接收由所述第二光接收单元会聚或聚光的未改变行进方向的所述直线信号光和已切换光路的所述信号光。
4.根据权利要求1或2所述的光路切换装置，还包括：
包括中心光纤和六个外围光纤的端面紧密排列七芯光纤束，所述中心光纤具有连接至所述信号光源的非捆束终端，所述六个外围光纤具有分别连接到二至六个控制光源的非捆束终端，每一所述控制光源产生具有与所述信号光的波长不同的波长的控制光。
5.根据权利要求1或2所述的光路切换装置，其中，所述楔形棱镜是六角截断锥棱镜，所述六角截断锥棱镜能够使由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光垂直通过所述六角截断锥棱镜的顶部平面，同时使已切换光路的所述信号光通过所述六角截断锥棱镜的六个楔面中的任一个，从而使每一光均从所述六角截断锥棱镜出射。
6.根据权利要求1或2所述的光路切换装置，其中，所述第一光接收单元和所述第二光接收单元是焦距在1.0mm至3.0mm范围内的球面或非球面凸透镜。
7.一种光信号光路切换方法，包括：
使信号光源产生具有一种或多种类型的波长的信号光；
使两个或两个以上的控制光源产生具有与所述信号光的波长不同的特定波长的控制光；
以在垂直于所述光轴的方向上区分各个会聚点的方式引导所述控制光和所述信号光会聚在热透镜形成光学元件的光吸收层中，所述光吸收层能够透射所述信号光并且选择性地吸收所述控制光；
使所述信号光透射至所述热透镜形成光学元件；
使所述控制光在所述热透镜形成光学元件的所述光吸收层中被吸收，从而由于在所述光吸收层中吸收所述控制光的区域及其外围区域局部地发生的温度升高而瞬时地形成热透镜，并且使所述热透镜在所述光吸收层中产生折射率分布以改变所述信号光的行进方向，以实现光路切换；
使由相同光学元件组成的第一光接收单元和第二光接收单元会聚或聚光由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的直线信号光和由于采用所述控制光的照射已切换光路的信号光；
使设置在所述第一光接收单元与所述第二光接收单元之间的楔形棱镜折射由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光和由于采用所述控制光照射已切换光路的信号光，同时保持光分离状态；
其中，满足以下条件(6)至(10)中的至少一个：
(6)将所述热透镜形成光学元件的信号光入射面设定为垂直于重力方向，并且将入射在所述热透镜形成光学元件上的所述信号光和所述控制光的行进方向设定为平行于所述重力方向；
(7)所述控制光和所述信号光以在垂直于所述光轴的方向上区分各个会聚点并组成缩小投影光学系统的方式会聚在所述光吸收层的入射面上；
(8)所述楔形棱镜具有至少一个设置在与所述光路切换信号光的每一通过位置相对应的部分的楔面；
(9)所述楔形棱镜具有至少一个设置在与所述光路切换信号光的每一通过位置相对应的部分的楔面，以便折射所述光路切换信号光，从而缩小所述光路切换信号光的光轴与由于未采用所述控制光的照射而未改变行进方向的所述直线信号光的光轴之间的距离；以及
(10)所述热透镜形成光学元件按以下方式定位：当未设置所述楔形棱镜时，将所述直线行进信号光和所述光路切换信号光会聚或聚光至同一位置。
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