CN1682153A - 光路切换装置和方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的光路切换方法，包括：在至少包含光吸收层膜的热透镜形成元件(1，2，3)中设置的所述光吸收层膜内，使波长为选自所述光吸收层膜所吸收的波段的控制光(121，122，123)、以及波长为选自所述光吸收层膜不吸收的波段的信号光(110，111，112)中的每个汇聚并照射，并调整所述光吸收层膜的设置，使得至少所述控制光聚焦在所述光吸收层膜之内，从而根据所述光吸收层膜吸收控制光的区域以及其周边区域所产生的温度上升所产生的渐变折射率而可逆地形成热透镜，使得根据是否有控制光的照射，使汇聚的信号光自热透镜形成元件汇聚出射，或者在其扩散角度改变之后出射，以及包括孔以及反射装置的反射镜(61，62，63)，从热透镜形成元件出射的信号光穿过该孔或者由该反射装置反射以改变光路。

Description

光路切换装置和方法
发明领域
本发明涉及使用于光通讯领域及光信息处理领域的光路切换装置及光路切换方法。
技术背景
随着互联网以及公司、家庭内的局域网的普及，为了应对网络通讯(network traffic)爆炸性的增加，要求有不经由电信号的光路切换装置(光开关)，亦即要求光——光直接切换。作为诸如光纤、光波导路径或光传播路径，也就是切换光路的装置和方法，已公知有例如在光波导内或光波导间切换光路的空间分割(space division)型；通过将复用的具有多个波长的光分割成对应波长的各个光路而切换的波分复用型；将时分复用的光的光路周期性切换的时分复用型；将开放空间(open space)中的光传播路径利用反射镜或快门等做出空间性分割以及合成的自由空间(frees pace)型等方式。所述多种方式中的每种可以复用，并且也可以使用这些方式的结合。
对于空间分割型光开关，虽已经提出有：利用定向耦合器的类型、以分光器制作光信号的复本并通过门电路元件开启和关闭光的类型、以交叉或Y分支的交叉部分变化波导路径的折射率从而使在波导中传播的光透射或反射的类型等，但仍处于研究开发的阶段。而为了变化马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪型光波导开关的波导的折射率，以电加热器加热造成的利用热光学效果的类型最近已经公开，并且已趋于实用化。但这种类型的开关的缺点不仅在于其应答速度缓慢，约为1微秒，而且在于为了使光开关动作，必须利用电信号。
对于自由空间型光开关，对诸如微机电系统MEMS(Micro ElectroMechanical System)、EARS(激子吸收反射开关)、多级光束切换(Multistage-beam-shifter)型光开关、全息图型光开关、液晶开关等正在进行研究。这些开关仍有具机械移动部分、具偏振依赖性等缺点存在。因此，自由空间型光开关尚未达到充分实用的阶段。
有很多研究着重于利用对光学元件照射光所引起的透射率变化和折射率变化，由此直接使用光来对光的强度或频率调制的全光型光学元件和光控制方法。
本申请的发明人以开发使用全光型光学元件等的新的信息处理技术为目标，利用将有机色素聚集体分散于聚合体基体的有机纳米粒子光热透镜形成元件(发表于平贺隆、田中教雄、旱水纪久子、守古哲郎著，“色素层叠体和聚集体的制作构造评估以及光物理性能(Production，Structure Evaluation，and Photophysical Properties Of DyeClusters and Aggregates)”，「电子技术总合研究所汇报」，通商产业省工业技术院电子技术总合研究所发行，第59卷，第2号，第29-49页(1994年))，进行光控制方法的研究。目前以利用控制光(633nm)来调制信号光(780nm)的元件已经开发出来。在该元件中，将控制光与信号光设置为同轴和同焦点入射。操作的原理为利用控制光的吸收而使得临时形成的热透镜来使信号光折射。该元件已达成约20纳秒的高速应答。
日本专利特开平8-286220号公报、特开平8-320535号公报、特开平8-320536号公报、特开平9-329816号公报、特开平10-90733号公报、特开平10-90734号公报、以及特开平10-148852号公报中，公开有一种光控制方法，其中是以控制光照射由光应答性化合物(responsive-composition)所构成的光学元件，通过使位在异于控制光的波段的信号光的透射率和/或折射率可逆地变化，以进行透射上述光学元件的信号光的强度调制和/或光通量调制。根据此方法，使控制光及信号光汇聚而向上述光学元件照射，并且调整控制光及信号光的光路，以使控制光及信号光在各自的焦点附近光子密度最高的区域(束腰)互相叠合。
日本专利特开平10-148853号公报中，公开有一种光控制方法，其中以波长互异的控制光及信号光照射具有光应答性化合物的光学元件。控制光的波长从上述光应答性化合物所吸收的波段选择。上述光应答性化合物因为吸收控制光的区域及其周边区域所发生的温度上升造成密度分布变化，使得可逆地形成根据密度分布变化的热透镜。由此进行透射热透镜的信号光的强度调制和/或光通量调制。此外，于日本专利特开平10-148853号公报中，还说明了上述光学元件可以是色素/树脂膜或色素溶液膜，当控制光在功率2至25mW中，信号光对于控制光照射的应答时间为2微秒以下。
对上述的热透镜效应说明如下。在光吸收的中心部分，由已吸收光的分子将光转换为热。该热能传导至周围区域由此产生温度分布。于是，光透射介质的折射率自光吸收中心向外部区域以球面的方式变化，产生光吸收中心的折射率较低，而向外部区域的折射率增加的分布。由此产生作用如凹透镜的光折射效果。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超高敏感度光谱分析，用以检测出1个分子的光吸收(公开于：藤原祺多夫、不破敬一郎、小林孝嘉著，“激光诱导热透镜效应及其于比色法的应用(Laser-Induced Thermal Lens Effect and Its Application toColorimetry)”，「化学」，化学同人发行，第36卷，第6号，第432-438页(1981年)：以及北森武彦、泽田嗣郎著，“光热转换光谱分析法(Photothermal Conversion Spectral Analysis)”，「分析」，日本分析化学会发行，1994年3月号，第178-187页)。
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，于日本专利特开昭60-14221号公报中公开一种通过发热阻抗(resistor)对介质供热而产生渐变折射率以偏转光线。然而，上述的方法是以发热阻抗发热，通过热传导将介质加热，因此该方法本身就具有“热扩散”的问题。也就是说，热扩散阻碍了在较大面积内产生精密的热梯度模式，因而难以得到所希望的渐变折射率。此外，虽然是采用半导体集成电路所使用的光刻技术加工发热阻抗的精密图案，但于实际效果上仍受到限制，而不得不将元件尺寸加大。若元件大型化，则伴随而来的是光学系统也变得复杂并大型化。此外，由于是以发热阻抗发热，并通过热传导加热介质，该方法内在的缺陷在于应答速度迟缓、并且无法增加折射率变化的频率。
日本专利特开平11-194373号公报中公开有一种偏向元件，至少包括光应答化合物所构成的光学元件，以及用来以楔形的光强度分布对该光学元件照射光的强度分布调整机构。并利用控制光于上述光学元件中形成渐变折射率，通过该产生的渐变折射率将波长异于控制光的信号光偏转。尽管此方法在以光控制光方面具有优势，但具有偏转角度必须小于30度的限制，使得无法自由设定光路切换方向。
发明内容
本发明的目的(优势)在于提供一种光路切换装置以及光路切换方法，其中不需利用电电路或机械移动部分。因而这种光路切换装置不会很可靠、且耐久性高、并且不具有偏振依赖性。此外，可以自由设定光路切换的角度及方向。本发明的其他优势在于，信号光的光强度衰减降低，以及该装置和方法可以以多重连结(multi-link)的方式使用。
为了达成上述优势，本发明的光路切换装置包括：以至少使控制光聚焦在光吸收层膜的方式设置的光吸收层膜；使波长为选自上述光吸收层膜所吸收的波段的控制光与波长为选自上述光吸收层膜不吸收的波段的信号光的每一个汇聚并照射在上述光吸收层膜上的装置；以及包含上述光吸收层膜的热透镜元件。并通过根据因吸收控制光的上述光吸收层膜的区域以及其周边区域所产生的温度上升所造成的折射率分布而可逆地生成热透镜。在控制光未照射而热透镜未形成时，使上述已汇聚的信号光以正常的扩散角度扩散并出射，在将控制光照射且于上述光吸收层膜入射面附近形成热透镜的时候，则使上述已汇聚的信号光以大于正常扩散角度的扩散角度出射。以此方式，该热透镜形成元件使得根据控制光的是否照射而改变出射的信号光的扩散角度。该光路切换装置还包括用于改变光路的反射镜。该反射镜包括孔，在控制光未照射且未形成热透镜时，使从热透镜形成元件出射的信号光以正常的扩散角度通过该孔，或使通过接收透镜改变扩散角度之后的信号光通过该孔。当将控制光照射并于上述光吸收层膜入射面附近形成热透镜的时候，则使信号光以正常的扩散角度从热透镜形成元件出射，或在通过接收透镜改变扩散角度之后从热透镜形成元件出射。
接收透镜用于将正常扩散角度或者扩散角度大于正常扩散角度的、从热透镜输出的信号光改变为基本上“平行”的光束。然而，应该注意，该形成的光束不必完全平行。
为了达成上述的目的，根据本发明的另一光路切换装置包括：设置为至少使控制光聚焦在光吸收层膜上的光吸收层膜；使波长为选自上述光吸收层膜所吸收的波段的控制光与波长为选自上述光吸收层膜不吸收的波段的信号光的每一个汇聚并照射在上述光吸收层膜上的装置；以及包含上述光吸收层膜的热透镜元件。并通过根据因吸收控制光的光吸收层膜的区域以及其周边区域所产生的温度上升所造成的折射率分布而可逆地生成热透镜。在将控制光照射且于上述光吸收层膜出射面附近形成热透镜的时候，则使上述已汇聚的信号光以汇聚的方式出射，并且在控制光未照射且热透镜未形成时，将汇聚的信号光以正常扩散角出射。以此方式，该热透镜形成元件使得根据控制光的是否照射而改变出射的信号光的扩散角度。该光路切换装置还包括用于改变光路的反射镜。该反射镜包括孔，当将控制光照射并于上述光吸收层膜出射面附近形成热透镜的时候，则使上述汇聚的信号光从热透镜形成元件出射。该反射镜还包括用于反射的装置，在控制光未照射且未形成热透镜时，使以正常的扩散角度出射热透镜形成元件的信号光反射，或反射从热透镜形成元件出射并穿过用于改变扩散角的接收透镜之后的信号光。
为了达成上述目的，根据本发明的光路切换方法包括：在至少包含光吸收层膜的热透镜形成元件中设置的光吸收层膜内，使波长为选自上述光吸收层膜吸收的波段的控制光以及波长为选自上述光吸收层膜不吸收的波段的信号光的每一个汇聚并照射。并将上述光吸收层膜的设置调整为使得控制光聚焦在光吸收层膜之内。根据上述光吸收层膜吸收控制光的区域以及其周边区域所产生的温度上升而形成的折射率的分布来可逆地形成热透镜。在控制光未照射且未形成热透镜的情况下，使上述已汇聚的信号光以正常的扩散角度从热透镜形成元件出射，并且，在将控制光照射且在上述光吸收层膜的入射面附近形成热透镜的情况下，则使上述已汇聚的信号光以大于正常扩散角度的扩散角度从热透镜形成元件出射。以此方式，根据是否照射控制光而改变出射信号光的扩散角度。随后，在控制光未照射而未形成热透镜的情况下，使以正常扩散角度从热透镜形成元件出射的信号光穿过反射镜上的孔并直线前进，或者在通过接收透镜改变扩散角度之后穿过反射镜上的孔并直线前进。另一方面，在将控制光照射且在光吸收层膜入射面附近形成热透镜的情况下，使得信号光以大于正常扩散角度的扩散角度从热透镜形成元件出射，或者在经过接收透镜改变扩散角度之后，使用具有孔的反射镜的反射面将其反射以改变光路。
为了达成上述目的，根据本发明的另一光路切换方法包括：于至少包含光吸收层膜的热透镜形成元件中设置的光吸收层膜内，分别使波长为选自上述光吸收层膜吸收的波段的控制光以及波长为选自上述光吸收层膜不吸收的波段的信号光的每个汇聚并照射。并将上述光吸收层膜的设置调整为至少使得控制光于光吸收层膜内聚焦。根据上述光吸收层膜吸收控制光的区域以及其周边区域所产生的温度上升产生的折射率分布来可逆地形成热透镜。在将控制光照射且在上述光吸收层膜的出射面附近形成热透镜的情况下，则使上述已汇聚的信号光从热透镜形成元件汇聚出射，并且，在控制光未照射且未形成热透镜的情况下，该汇聚信号光以正常扩散角从该热透镜形成元件出射。以此方式，出射信号光的扩散角根据是否照射控制光而改变。随后，当将控制光照射且在光吸收层膜出射表面的附近形成热透镜的情况下，汇聚的信号光从热透镜形成元件出射，穿过反射镜上的孔并使得可以直线前进。另一方面，当未照射控制光且热透镜未形成的情况下，从热透镜出射的信号光具有正常扩散角度或者在接收透镜改变其扩散角度之后，使用具有孔的反射镜的反射面将其反射，以改变光路。
附图简述
图1为示出根据本发明例子1的光路切换装置的概略构造图；
图2A为示出未形成热透镜情况下的光传播方式图；
图2B为示出未形成热透镜情况下的另一幅光传播方式图；
图3A为示出未形成热透镜情况下的光传播方式图；
图3B为示出未形成热透镜情况下的光传播方式图；
图4A为示出本发明例子1的光路切换原理的示意图；
图4B为表示本发明例子1的光路切换原理的另一幅示意图；
图5为示出热透镜形成元件构造的例子的剖面图；
图6为示出热透镜形成元件另一构造的例子的剖面图；
图7为示出用于信号光束剖面光强度分布测定的狭缝与信号光束之间的关系图；
图8为示出信号光束剖面的光强度分布的示意图；
图9为示出信号光束剖面的另一光强度分布的示意图；
图10为示出信号光束剖面进一步的光强度分布的示意图；
图11A为示出本发明例子2的光路切换原理的示意图；
图11B为示出本发明例子2的光路切换原理的另一示意图；
图12为示出以聚光透镜等汇聚的高斯光束焦点附近区域的示意图；
图13为以示波器探测的控制光及信号光波形的示意图；
图14为以示波器探测的控制光及信号光波形的另一示意图；
图15为示出间歇的切换控制光的频率与信号光强度(振幅)之间关系的示意图。
发明详述
[热透镜形成元件]
根据本发明，热透镜形成元件可以优选使用具有层叠膜构成的多层结构，此多层膜的结构的例子包括：
(1)单一的光吸收层膜(光吸收层膜可为字面上的“光吸收膜”的单一单层膜，或者可以是包括“光吸收膜/热透镜形成层”的双层结构，抑或包括“光吸收膜/热透镜形成层/光吸收膜”的三层结构。应该注意，下列例子(2)至(10)中的“光吸收层膜”可以使用类似的结构)。
(2)光吸收层膜/热绝缘层膜
(3)热绝缘层膜/光吸收层膜/热绝缘层膜
(4)光吸收层膜/热传导层膜
(5)热传导层膜/光吸收层膜/热传导层膜
(6)光吸收层膜/热绝缘层膜/热传导层膜
(7)热传导层膜/光吸收层膜/热绝缘层膜
(8)热传导层膜/光吸收层膜/热绝缘层膜/热传导层膜
(9)热传导层膜/热绝缘层膜/光吸收层膜/热绝缘层膜
(10)热传导层膜/热绝缘层膜/光吸收层膜/热绝缘层膜/热传导层膜
(11)渐变折射率透镜/(光透射层/)上述(1)至(10)的热透镜形成元件
(12)渐变折射率透镜/(光透射层/)任何上述(1)至(10)的热透镜形成元件/(光透射层/)渐变折射率透镜
另外，上述“(光透射层/)”是指视需要而设置光透射层。此外，亦可视需要于光的入射面及出射面设置防止反射膜(AR覆膜)。
图5示出热透镜形成元件构造的一个例子的剖面。如图5所例示，热透镜形成元件500可以自控制光509及信号光508的入射侧开始，以渐变折射率透镜507/光透射层506/热传导层膜501/光吸收层膜503/热透镜形成层505/光吸收层膜504/热传导层膜502的顺序层叠而成。另外，图5所示的控制光509的光束为示意性的示出，图中省略各层膜间产生的折射。
以下针对光吸收层膜、热透镜形成层、热绝缘层膜、热传导层膜，光透射层以及渐变折射率透镜的材料、制作方法、各自的膜厚等，依序进一步进行说明。
另外应注意，本发明中所使用的光吸收层膜，热透镜形成层、热绝缘层膜、热传导层膜、光透射层以及渐变折射率透镜的材料，在不对阻碍其机能的范围内，亦可含有公知的抗氧化剂、紫外线吸收剂、单线态氧猝熄剂、分散助剂等作为添加剂。
[光吸收层膜的材料]
作为用于本发明的热透镜形成元件中使用于光吸收层膜的光吸收性材料，可使用公知的各种物质。
具体地列举优选用于本发明的热透镜形成元件中使用于光吸收层膜的材料，可适当地使用例如：GaAs、GaAsP、GaAlAs、InP、InSb、InAs、PbTe、InGaAsP、ZnSe等化合物半导体的单结晶；将上述化合物半导体的微粒子分散于基质材料中的材料：掺杂有异种金属离子的金属卤化物(例如溴化钾，氯化钠等)的单结晶；将上述金属卤化物(例如溴化铜、氯化铜、氯化钴等)的微粒子分散于基质材料中的材料；掺杂有诸如铜等异种金属离子的CdS、CdSe、CdSeS、或CdSeTe等硫族化镉的单结晶；将上述硫族化镉的微粒子分散于基质材料中而获得的材料；硅、锗、硒、碲等的半导体单结晶薄膜、多结晶薄膜乃至多孔质薄膜；将硅、锗、硒、碲等的半导体微粒子分散于基质材料中而获得的材料；诸如红宝石、紫翠玉、柘榴石、Nd:YAG，蓝宝石，Ti:蓝宝石、或者Nd:YLF等相当于掺杂有金属离子的宝石的单结晶(即，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、硼硅酸玻璃、或其它玻璃等；其它于基质材料中溶解或分散色素的材料；以及非晶质的色素聚集体。
在上述材料之中，优选使用在基质材料中溶解或分散有色素的材料，因为使用这种材料使得基质材料与色素选择范围较广，且对热透镜形成元件的加工也较容易。
作为可优选用于根据本发明的光路切换装置及光路切换方法的色素的例子包括：若丹明B(Rhodamine B)、若丹明6G、曙红、根皮红B(Pholxin B)等二苯骈哌喃系色素；吖啶橙、吖啶红等吖啶系色素：乙基红、甲基红等偶氮色素；紫质系色素；酞青系色素；3，3’-二乙基噻羰赛安宁碘化物、以及3，3’-二乙基氧基二羰赛安宁碘化物等青蓝色素；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。
于本发明的光路切换装置及光路切换方法中，该等色素可单独使用，也可以混合两种或更多使用。
可使用于本发明的光路切换装置或光路切换方法的基质材料，需要满足以下两个条件：
(1)对于本发明的光路切换装置及光路切换方法所使用光的波长范围的透射率高；以及
(2)使得本发明的光路切换装置及光路切换方法所使用的色素或其他各种微粒可稳定地溶解或分散。
作为无机的基质材料，可使用例如：金属卤化物的单结晶、金属氧化物的单结晶、金属硫属化合物的单结晶，石英玻璃、钠玻璃、硼硅酸玻璃等的其它所谓溶胶法所做成的低融点玻璃材料等。
作为有机的基质材料，可使用例如各种有机高分子材料。具体例子可有：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、聚乙烯缩甲酸、聚乙烯醋酸酯、聚乙烯缩丁酸，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、聚甲基丙烯酸醯亚胺，聚甲基丙烯腈、聚乙醯醛、聚氯酸、聚氧乙烯、聚氧丙烯、聚对苯二甲酸乙酯、聚对苯二甲酸丁酯、聚碳酸酯类(双酚类+碳酸)、聚(二乙二醇-双烯丙基碳酸酯)类、6-尼龙、6，6-尼龙、12-尼龙、6，12-尼龙、聚天门冬胺酸乙酯、聚麸胺酸乙酯、聚离胺酸、聚吡咯啶甲酸、聚(γ-苄基-L-麸胺酸酯)、甲基纤维素、乙基纤维素、苄基纤维素、经乙基纤维素、羟丙基纤维素、乙醯纤维素、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)、聚胺基甲酸酯树脂、酚树脂、尿素树脂、三聚氰胺树脂、二甲苯树脂、甲苯树脂、胍甲酸树脂等树脂、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合和共聚缩合体。此外，可使用将二硫化碳、四氟化碳、乙基苯、过氟化苯、过氟化环己烷或三甲基氰硅烷等平常不具聚合性的化合物以等离子聚合所得的高分子化合物等。此外，亦可于上述大分子化合物中，将色素残基作为单体单位的侧链、或作为交联基、作为共聚合单体单位、抑或作为聚合起始末端结合而获得的材料作为基质材料使用。上述色素渣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。优选使用的方法包括例如：将色素与基质材料溶解于共同的溶剂中并混合后，再将溶剂通过蒸发而除去的方法；将色素溶解或分散于以溶胶法制造的无机基质材料的原料溶液中后，再将基质材料形成为最终形式的方法；将色素溶解或分散于有机高分子基质材料的单体中，并视需要使用溶剂，再将该单体聚合或聚缩合而形成基质材料的方法；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，滴入色素与热可塑性有机高分子基质材料两者均不溶的溶剂中，并将所生成的沉淀过滤并干燥后，再予以加热熔融的方法等。通过使色素与基质材料适当组合并加工的方法，将色素分子凝集，以形成称为“H聚集体”或“J聚集体”等的特殊聚集体的方法已被广知。而亦可使用使基质材料中的色素分子形成此种凝集状态或聚集状态的条件下的材料。
此外，可使用公知的方法将上述各种微粒子分散于所述基质材料中。例如，可优选地使用将上述微粒子分散于基质材料的溶液或基质材料的母体材料的(precursor material)溶液后再除去溶剂的方法；将上述微粒子分散于有机高分子是基质材料的单体中，并视需要而使用溶剂，再将该单体聚合或聚缩合以形成基质材料的方法；例如以过氯酸镉或氯化金等金属盐作为微粒子的母体材料，使金属盐溶解或分散于有机高分子基质材料中后，执行以硫化氢气体处理将硫化镉的微粒子在基质材料中沉积、或者使用加热将金的微粒子在基质材料中沉积的方法；化学气相沉积法；溅镀法等。
在可使色素单独存在为使得光散射较少的非晶质薄膜的情况下，亦可不使用基质材料，将非晶质薄膜作为光吸收层膜使用。
此外，在可使色素单独存在为使得光散射少的微结晶聚集体的情况下，亦可不使用基质材料，将色素的微结晶聚集体作为光吸收层膜使用。如本发明所使用的上述热透镜形成元件，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)、热传导层膜(玻璃等)和/或热绝缘层膜(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波长或控制光波长中较短者的波长的1/5，则基本上不会发生光散射。
[光吸收层膜的材料、信号光的波段以及控制光的波段的组合]
本发明的光路切换装置及光路切换方法中所使用的光吸收层膜的材料、信号光的波段以及控制光的波段，可视使用目的而选定适当的组合来使用。
在选择材料的一个例子中，首先根据使用目的来决定信号光波长及波段。再选定最适合用于控制信号光的波段或确定波长的光吸收层膜材料与控制光波长的组合。或者，根据使用目的决定信号光与控制光波长后，再选定适合于该组合的光吸收层膜的材料。
[光吸收层膜材料的组成、光吸收层中的光吸收膜厚度以及热透镜形成层的厚度]
本发明的光路切换装置及光路切换方法所使用的热透镜形成元件中，光吸收层膜可为：光吸收层膜的单层膜、包括“光吸收膜/热透镜形成层”结构的双层结构、抑或是包括“光吸收膜/热透镜形成层/光吸收膜”结构的三层结构。优选地，光吸收层膜整体厚度以不超过已汇聚的控制光的共焦距的两倍。此外，为获得更高的应答速度，包括全部上述层叠型薄膜的光吸收层膜的厚度优选不超过已汇聚的控制光的共焦距。
在此种条件之中，关于本发明所使用的光吸收层膜材料的组成及光吸收层中光吸收膜(设置为一片或两片)的厚度的组合，可以作为穿透光吸收层膜的控制光及信号光的透射率的基准。例如，在组成光吸收层膜的材料中，至少首先决定吸收控制光或信号光成份的浓度，接着，便可选择光吸收层中光吸收膜(一片或两片)的厚度，以使穿透热透镜形成元件的控制光及信号光的透射率能够达到特定的值。或者，可首先例如视装置设计上的需要，将光吸收层中光吸收膜(一片或两片)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，以使穿透热透镜形成元件的控制光及信号光的透射率得到特定值。
本发明的光路切换装置及光路切换方法中所使用的热透镜形成元件，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及信号光的透射率的最佳值可以限定如下。
于本发明的光路切换装置及光路切换方法中所使用的热透镜形成层中，最好施行对光吸收层膜中的光吸收成分浓度与状态的控制、以及光吸收层膜中的光吸收膜(一片或两片)的厚度选择，以使传播通过热透镜形成元件中的光吸收层膜的控制光透射率为90％至0％的范围之间。
另一方面，在控制光未照射的情况下，最好施行对光吸收层膜中的光吸收成分浓度与状态的控制、以及光吸收层膜中的光吸收膜(一片或两片)的厚度选择，以使传播通过热透镜形成元件中的光吸收层膜的信号光透射率下限为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是如下所述，根据热透镜形成层的材料来选择。
[光吸收层膜中热透镜形膜成层的材料及厚度]
虽单层的光吸收膜亦可发挥热透镜形成层的作用，但优选以使光吸收与热透镜形成的功能由不同材料分担，将分别选择的最佳材料予以层叠而使用。
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，热透镜形成层优选是以自非晶质有机化合物、有机化合物液体以及液晶的组中所选出的有机化合物所构成。另外，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/或传导层膜，并设置相当于热透镜形成层厚度的空洞，通过于该空洞内注入流动状态的热透镜形成层材料，以产生热透镜形成层。另一方面，于热透镜形成层的材料为固体的情况，光吸收膜层叠在热透镜形成层的单面或两面都可以。
热透镜形成层的材料亦可不为单一，例如，亦可为层叠多个种类的固体材料而组成的膜，另外，亦可以层叠固体与液体材料。
热透镜形成层的厚度虽亦随所使用材料的种类而有所不同，仅要为数纳米至数百μm的范围的厚度即可，又以数十纳米至数十μm的范围为佳。
如上所述，热透镜形成层与一片或两片光吸收膜层叠而成的光吸收层膜的合计厚度，以不超过已汇聚的控制光共焦距的两倍为佳。
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，但不论在何种状况下均以折射率高度依赖于温度的材料为佳。
关于有机化合物与水的折射率温度依赖型的物理特性值记载于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)，甲醇(3.9×10-4)等醇类比水(0.8×10-4)大，而比环戊烷(5.7×10-4)、苯(6.4×10-4)、氯仿(5.8×10-4)、二硫化碳(7.7×10-4)等非氢结合性有机溶剂更大。
当使用液晶作为光吸收层膜中的热透镜形成层材料的情况，可使用公知的任意液晶。具体而言，可使用：各种胆固醇衍生物、4’-正烷氧基苯亚甲基-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、碳酸对羧基苯基正戊酯、和碳酸正庚基4-(4’-乙氧基苯氧基羰基)苯基酯；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。此外还可使用铁电液晶，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。
在使用固体材料作为光吸收层膜中的热透镜形成层的情况，以光散射小且折射率的温度依赖型大的非晶质有机化合物特别适用。具体而言，与上述基质材料相同，可自各种有机高分子材料的中选定公知为光学用树脂来使用。根据技术情报协会编著，“最新光学用树脂的开发、特性与高精密度零件的设计、成型技术”，技术情报协会(1993)，P.35，描述了光学用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。可将这些树脂适宜地作为光吸收层膜中的热透镜形成层的材料使用。
尽管上述有机溶剂具有折射率温度依赖型大于上述光学用树脂的折射率温度依赖型的优点，但是其具有的问题为，控制光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不方便于使用(使用高沸点的溶剂时则无问题)。相比将挥发性杂质彻底地除去的光学用树脂，例如聚碳酸酯，即使在控制光照射而使温度上升至超过250℃以上的严苛条件中亦可使用。
[热绝缘层膜]
使用气体作为热绝缘层膜的情况，除了空气之外，可适宜地使用氮、氦、氖、氩等惰性气。
使用液体作为热绝缘层膜的情况，只要是热传导系数与光吸收层膜相同或小于光吸收层膜的材料，且控制光与信号光可透射，并不溶解或腐蚀光吸收层膜材料，可使用任意的液体。例如，当光吸收层膜为含有青蓝色素的聚甲基丙烯酸甲酯所构成，则可使用流动性石蜡作为热绝缘层膜。
使用固体作为热绝缘层膜的情况，只要是热传导系数与光吸收层膜(光吸收膜及热透镜形成层)相同或小于光吸收层膜的材料，且控制光与信号光可透射，并不与光吸收层膜或热传导层膜的材料发生反应，可使用任意的固体。例如，当光吸收膜为含有青蓝色素的聚(甲基丙烯酸甲酯)所构成，则可使用不含色素的聚(甲基丙烯酸甲酯)(于300K的热传导系数为0.15Wm-1K-1)作为热绝缘层膜。
[热传导层膜的材料]
对于热传导层膜，只要该材料的热传导系数大于光吸收层膜的热传导系数，控制光与信号光可穿透，且不与光吸收层膜或热绝缘层膜发生反应，可任意使用。作为热传导系数高且在可见光波段中光吸收度小的材料的例子包括：钻石(300K的热传导系数为900Wm-1K-1)、蓝宝石(300K的热传导系数为46Wm-1K-1)、石英单结晶(于c轴的平行方向，300k的热传导系数为10.4Wm-1K-1)、石英玻璃(300k的热传导系数为1.38Wm-1K-1)、硬质玻璃(300k的热传导系数为1.10Wm-1K-1)。这些材料可以优选作为热传导层膜使用。
[光透射层的材料]
在本发明所使用的热透镜形成元件中，用于汇聚控制光的渐变折射率透镜可以通过光透射层而层叠于热透镜形成元件的控制光入射侧。而作为光透射层的材料，可使用与热绝缘层膜合/或热传导层膜类似的固体材料。光透射层不仅如字面上的意义，是使控制光与信号光有效透射，而且还用作粘合剂将渐变折射率透镜粘合，作为热透镜形成元件的部件。对于紫外线硬化树脂或电子辐射硬化树脂，特别优选地用作在控制光和信号光的波段具有较高透光率的光透射层。
[热透镜形成元件的制作方法]
本发明所使用的热透镜形成元件的制作方法，可依热透镜形成元件的构造及使用材料的种类而选定公知的方法。
例如，在使用于热透镜形成元件中的光吸收膜的光吸收性材料是如上述的单晶的情况，可以通过切削，抛光单晶体而制作光吸收膜。
例如，在使用含有色素的基质材料所形成的光吸收膜、光学用树脂所形成的热透镜形成层、以及光学玻璃形成的热传导层膜的组合，而为了制作具有“热传导层膜/光吸收膜/热透镜形成层/光吸收膜/热传导层”结构的热透镜形成元件的情况，可利用以下所列举的方法先在热传导层膜上形成光吸收膜。
将溶解有色素及基质材料的溶液以扩散法、叶片涂布法、辊涂布法、旋转涂布法、浸渍法、喷雾法等涂布方法，涂布于用作为热传导层膜的玻璃板上，或者，亦可使用以平板、凸板、凹板、模板、网板、转印等印刷法由印刷而形成光吸收膜的。亦可通过使用无机基质材料生产方法使用凝胶过程制备光吸收膜。
亦可使用电极沉积法、电解聚合法、通过电解的微胞分解法(日本专利特开昭63-243298号公报)等电化学的成膜方法形成热传导层上的光吸收层。
此外，亦可使用将于水之上所形成的单分子膜取出的蓝格米亚-布罗杰特(Langmuir-Blodgett)法。
利用原料单体的聚合或聚缩合反应的方法，例如当单体为液体的情况，可使用浇注法、反应注射成模法、等离子聚合法以及光聚合法等。
亦可使用升华转印法、蒸镀法、真空蒸镀法、离子束、溅镀法、等离子聚合法、CVD法、有机分子束沉积法等方法。
亦可利用复合光学薄膜的制造方法(公开于日本专利公报第2599569号)。在这种方法之中，将溶液或流体分散的两种或更多有机光学成分从为各成分设置的喷雾喷嘴在高真空容器内喷雾，使其堆积于衬底上，并进行加热处理。
以上的固体光吸收膜制作方法，亦适宜使用于例如制作由固体有机高分子材料所形成的热绝缘层膜的情况。
其次，在使用热可塑性光学用树脂制作热透镜形成层的情况，可使用真空热压法(日本专利特开平4-99609号公报所公开)制作构造为“热传导层膜/光吸收膜/热透镜形成层/光吸收膜/热传导层膜”的热透镜形成元件。即，将热可塑性光学用树脂的粉末或薄片包夹于两片热传导层膜(玻璃板)，其中每片热传导层膜具有用上述方法形成在表面上的光吸收层膜，并于高真空下将其经过加热，压合，可制作上述构造的多层薄膜元件。
[渐变折射率透镜的材料与制作方法]
本发明所使用的热透镜形成元件的构造，亦可透过光透射层，于热透镜形成元件的控制光入射侧层叠而设置渐变折射率透镜用于汇聚控制光，而该渐变折射率透镜的材料与制作方法，可使用公知的任意方法和材料。
例如，可利用单体的渗透或扩散现象，以有机高分子材料制作渐变折射率透镜(M.Oikawa，K.Iga，T.Sanada：Jpn.J.Appl.Phys，20(1)，L51-L54(1981)中所公开)。即，通过单体交换技术，可于平坦的衬底上以单片形式形成渐变折射率透镜。例如，将具有较低折射率塑料的甲基丙烯酸甲酯(n＝1.494)自3.6mm的圆盘掩模的周围，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，可利用无机离子的扩散现象，以无机玻璃材料制作渐变折射率透镜(M，Oikawa，K.Iga，：Appl.Opt.，21(6)，1052-1056(1982)所公开)。具体的说，可于玻璃衬底上装设掩模后，以光蚀刻的方法形成直径大约100μm的圆形窗。将该玻璃衬底浸渍于熔融盐以通过离子交换而形成折射率分布。通过持续施加数小时的电场以促进离子交换，以形成例如直径0.9mm、焦距2mm、数值孔径NA＝0.23的透镜。
[光束束腰直径的计算]
本发明的光路切换装置及光路切换方法中，为了有效利用热透镜效应，于焦点(聚光点)附近的光子密度最高的区域内，亦即于“光束束腰”内，以使信号光的光束截面不超过光束束腰内控制光的光束截面的方式，分别优选设定信号光、控制光的光束截面形状以及大小。
以下，针对进行方向光束截面的电场振幅分布或光通量能量分布成为高斯分布的高斯光束的情况，进行叙述。并且，于以下说明中是针对使用聚光透镜(渐变折射率透镜)作为光束汇聚装置的情况进行说明，或者，汇聚装置也可以包括凹面镜或折射率分散型(dispersed-index)透镜。
利用图1等所示的聚光透镜31等将高斯光束以2θ的扩散角度汇聚时，焦点301附近的光束通量及波面300的状态示于图12。此处，将波长λ的高斯光束直径2ω成为最小的位置称为“光束束腰”。以下，将光束束腰直径以2ωO表示。由于光的衍射作用，2ωO不会成为0，其具有一有限值。另外，光束半径ω或ωO的定义是以高斯光束的光束中心部分的能量作为基准，自光束中心测量能量成为1/e2(e为自然对数的底数)的位置时的距离，光束直径是以2ω或2ωO表示。在光束束腰的中心光子密度最高。
于高斯光束的情况下，距离光束束腰够远的处的光束扩散角θ，与波长λ及光束束腰半径ωO间，可具有如下式[1]的关系。
π·θ·ωOλ                               [1]
其中，π为圆周率。
仅限于满足“距光束束腰够远的远处”条件的情况下使用该等式，可自入射于聚光透镜的光束半径ω、聚光透镜的数值孔径及焦距，计算以聚光透镜所聚光的光束束腰半径ωO。
此外，一般而言，使用有效开口半径a及数值孔径NA的聚光透镜将平行高斯光束(波长λ)汇聚的情况下，光束束腰直径2ωO可以用下面的等式[2]表示。
2ωOk·λ/NA                                [2]
其中，由于系数k无法以代数方法解出，因此可利用针对于透镜成像面的光强度分布进行数值分析计算来确定。
通过改变入射于聚光透镜的光束半径ω与聚光透镜的有效开口半径a的比率并进行数值分析计算，则等式[2]的系数k的值可以如下方式求出。
a/ω＝1时           k0.92
a/ω＝2时           k1.3
a/ω＝3时           k1.9
a/ω＝4时           k3
即，随着光束半径ω比聚光透镜的有效开口半径a越小，光束束腰半径ωO增大。
例如，使用数值孔径为0.25、有效开口半径约5mm的透镜作为聚光透镜，汇聚波长780nm的信号光时，若入射于聚光透镜的光束半径(ω为5mm，则a/ω大约为1，光束束腰的半径ωO计算为1.4μm。同时，若ω为1.25mm，则a/ω大约为4，可计算出ωO为4.7μm。同样地，波长633nm的控制光也可以类似方式汇聚。在此情况下，若光束半径ω为5mm，则a/ω大约为1，光束束腰的半径ωO为1.2μm；若ω为1.25mm，则a/ω大约为4，可计算出ωO为3.8μm。
自该例子可知，若欲使于聚光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积为最小，只要将光束直径扩大(扩束)使得入射于聚光透镜的光束强度分布接近于平面波即可。此外，在朝聚光透镜入射的光束直径不变的情况，也可知道光波长越短，光束束腰直径也变小。
如上所述，为了有效地利用本发明的光路切换装置及光路切换方法中的热透镜效应，以使得光子密度最高的光束束腰附近区域中的信号光的光束截面积不超过控制光光束束腰的光束截面积的方式，来分别优选设定信号光及控制光的光束截面形状与大小。若为信号光与控制光同时使用高斯光束的情况，可根据以上的说明及等式，在信号光和控制光聚光透镜等汇聚装置予以汇聚前的平行光束状态下，根据波长而适当地将信号光与控制光的光束直径通过扩束等进行调节。以此方式，可以执行控制，使得在光子密度最高的光束束腰附近区域中的信号光的光束截面积，不超过控制光光束束腰的光束截面积。光束扩大的方法可使用公知的光学系统，例如使用两片凸透镜所构成的开普勒(Kepler)型光学系统。
[共焦距(confocal distance)Zc计算]
一般而言，于，于以凸透镜等汇聚装置予以汇聚的高斯光束的情况下，在其光束束腰附近，即于焦点两侧共焦距Zc的部分，可将该部分汇聚光束视为基本平行的光束。而可利用圆周率π、光束束腰半径ωO及波长λ以等式[3]表示共焦距Zc。
Zc＝πωO 2/λ                                     [3]
若将等式[2]代入等式[3]，则可得到等式[4]。
Zcπ(k/NA)2λ/4                                 [4]
例如，使用数值孔径0.25、有效开口半径约5mm的透镜作为聚光透镜，汇聚波长780nm的信号光时，若入射于聚光透镜的光束半径ω为5mm，a/ω约为1，光束束腰的半径ωO为1.4μm。因此可计算出共焦距Zc为8.3μm。若ω为1.25mm，a/ω约为4，ωO为4.7μm，因此可计算出共焦距Zc为88μm。同样地，波长633nm的控制光也可以以类似方式汇聚。若光束半径ω为5mm，a/ω约为1，光束束腰的半径ωO为1.2μm。可计算出共焦距Zc为6.7μm。若ω为1.25mm，a/ω约为4，ωO为3.8μm，因此可计算出共焦距Zc为71μm。
[聚光透镜及接收透镜的数值孔径]
本发明的光路切换装置及光路切换方法中，是以同轴的方式由聚光透镜将信号光及控制光汇聚，并聚焦在热透镜形成元件中的方式进行照射。但在将以大于正常的扩散角度从热透镜形成元件出射的光在接收透镜中接收以准直为平行光的情况，该接收透镜的数值孔径(以下称为NA)，应最好设定为大于聚光透镜的NA。更优选地，接收透镜的NA优选为聚光透镜的NA的不小于两倍。然而应该注意，当在聚光透镜的有效开口半径a大于入射至聚光透镜的光束半径ω(即a/ω＞1)的情况下，聚光透镜实质的NA是小于聚光透镜的NA。因此，接收透镜的NA优选设定为比聚光透镜实质的NA(而非实际NA)大，优选为不小于两倍。当接收透镜的NA设定为聚光透镜的NA的不小于两倍时，即使信号光的光束直径扩大至第一次入射热透镜形成元件的初始光束直径的两倍以上，接收透镜可无损失地接收光。
[光吸收层膜的最佳膜厚]
保持构成光吸收层膜的一片或两片光吸收膜的均匀厚度，改变热透镜形成元件的厚度而制作具有同样光学浓度的热透镜形成元件样品。使用上述样品试验的结果，可知当以如上述所计算的共焦距Zc的两倍作为光吸收层膜的膜厚上限时，热透镜效应的光应答速度成为足够高。
关于光吸收层膜的厚度下限，只要可获得充足的热透镜效应，其厚度优选为尽可能薄。
[热绝缘层膜的膜厚]
为了获得光应答的最大幅度和/或最大速度，关于热绝缘层膜的厚度的最佳值的范围(上限和下限的值)可根据热透镜形成元件的构造、光吸收膜的材料及厚度、热绝缘层膜的材料、热传导层膜的材料及厚度等参量，以实验方法来决定。例如，于使用一般硼硅酸玻璃作为热传导层、聚碳酸酯作为热绝缘层膜及热透镜形成层的材料、铂酞青的蒸镀膜作为光吸收膜形成热透镜形成元件。制成构造为：玻璃(热传导层，膜厚150μm)/聚碳酸酯树脂层(热绝缘层)/铂酞青蒸镀膜(光吸收膜，膜厚0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(热透镜形成层，膜厚20μm)/铂酞青蒸镀膜(光吸收膜，膜厚0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(热绝缘层)/玻璃(热传导层膜，膜厚150μm)的热透镜形成元件的情况，热绝缘层膜的膜厚优选为5nm至5μm的范围中，更优选为在50nm至500nm范围之中。
[热传导层膜的膜厚]
关于热传导层膜的膜厚，亦存在有可使光应答的幅度和/或速度成为最大的最佳值(此状况，只有下限值)，该值可根据热透镜形成元件的构造、光吸收膜的材料及厚度、热绝缘层膜的材料及厚度、热传导层膜的材料等参量，以实验方法来决定。例如，于使用一般的硼硅酸玻璃作为热传导层材料、聚碳酸酯作为热绝缘层膜及热透镜形成层的材料、铂酞青的蒸镀膜作为光吸收膜形成热透镜形成元件。制成构造为：玻璃(热传导层，膜厚150μm)/聚碳酸酯树脂层(热绝缘层)/铂酞青蒸镀膜(光吸收膜，膜厚0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(热透镜形成层，膜厚20μm)/铂酞青蒸镀膜(光吸收膜，膜厚0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(热绝缘层)/玻璃(热传导层膜，膜厚150μm)的热透镜形成元件的情况，热传导层膜的厚度下限优选为10μm，更优选为100μm。另外，关于热传导层膜的膜厚上限，虽不受光应答的大小和/或速度限制，但必须根据所使用的聚光透镜及接收透镜的工作方案、焦距及工作距离(working distance)来设计。
(例子)
以下参照具体例子，针对本发明的例子进行详细的说明。
[例1]
图1所示为本发明例1的光路切换装置的概略构造。图1的光路切换装置是例示将3组由“控制光光源、分色镜、聚光透镜、热透镜形成元件、接收透镜以及设有孔的反射镜”所构成的光路切换单元串联连结形成的装置。所连接光路切换单元的数目，原理上来说只要一个以上即可。然而，实际上可由每段光路切换单元的信号光透射率、入射于光路切换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可连结的数目。例如，若每段光路切换单元的透射率为80％，则包括串联连结三个单元的装置的总透射率为51％。
以下，以图1所示的包括三段串联单元的光路切换装置为例，进行详细的说明。图2A、图2B及图3A、图3B是图1的聚光透镜31及热透镜形成元件1的部分视图。并将接收透镜41及设有孔的反射镜61的部分图示于图4A、图4B。尽管图1至图4B中是例示将热透镜形成元件1具有“热传导层膜91/光吸收层膜92/绕传导层膜93”的三层结构的情况，但热透镜形成元件1并不限定于此结构。
使用准直透镜30使自光纤100出射的入射信号光110成为光束半径5.0mm的基本上平行的光束。本例子中，使用振动波长780nm的半导体激光作为信号光的光源。亦可使用振动波长1350nm或1550nm的半导体激光。此外，于本例子中，作为用以于各个热透镜形成元件1、2及3形成各热透镜的控制光121、122及123的控制光光源21、22及23，均使用振动波长650nm的半导体激光。并利用控制光的打开和关闭来进行信号光光路的切换。将控制光121、122及123均成为光束半径4.5mm的基本上平行的光线后使用。设置在各个聚光透镜31、32或33之前的控制光光源的激光功率均设为2至10mW的范围之间。
以共同的聚光透镜31、32及33分别汇聚控制光121、122、123及信号光110、111、112，并分别向热透镜形成元件1、2及3照射。控制光及信号光利用分色镜51，52及53调整，使得信号光共轴并彼此平行，由此使得信号光和控制光的束腰在热透镜形成元件之中重叠。通过此设置，可使得由于控制光光束束腰位置的光吸收而形成的热透镜效应有效地利用，使得信号光的方向改变。
若以透镜使激光进行聚光，于光束束腰(汇聚点或焦点)的光强度分布则成为高斯分布的形式。若将光吸收膜所吸收的波段的激光作为控制光。此激光透过聚光透镜照射于包含上述光吸收膜的热透镜形成元件，并汇聚在包含热透镜形成层的光吸收层膜中。则光吸收膜吸收该激光，使得热透镜形成层的温度上升，并使折射率降低。若如上所述地照射具有高斯分布的光，则光吸收层膜中接收高斯分布的汇聚中心部分具有最高光强度照射的区域，成为“光吸收中心”。此中心区域的温度最高，且折射率最低。自光吸收的中心区域向外周的光吸收变成热。且由于在向外传导的热，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，产生光吸收中心的折射率低、向外部的折射率增加的分布。此设置具有凹透镜功能。光在折射率较小的区域具有较大的速度。因此，通过光强度较强的高斯分布中心部分所照射区域的光的速度，大于通过光强度较弱的高斯分布周边部分所照射的区域的光的速度。因此，光朝向光强度弱的高斯分布的周边部分所照射的区域的方向弯曲。此效果与大气中产生的凹透镜相同。
本例子中，是使用接收透镜41、42及43将通过热透镜形成元件1、2及3后获得的信号光准直为基本上平行的光束。此接收透镜的数值孔径(NA)是选为大于聚光透镜的NA。于本例子中，聚光透镜的NA为0.25，接收透镜的NA为0.55。接收透镜的NA优选为聚光透镜NA的不小于两倍。若满足此关系，则聚光透镜与调整透镜的NA组合并不限制于此例子。通过将接收透镜的NA设为聚光透镜NA的不小于两倍，即使信号光的光束直径扩大为向热透镜形成元件入射时初始直径的两倍以上，亦可无损失地接收光。另外，本例子中是将聚光透镜与接收透镜的焦距设为相同，并使用有效直径约10mm的聚光透镜。
将经接收透镜41、42及43准直的信号光照射在设有孔的反射镜61、62及63上。如以下详述，这些设有孔的反射镜，可切换信号光的光路。
一方面，如图2A所示，使波长位于光吸收层膜的吸收带区域的控制光与波长位于光吸收层膜的透射带区域的信号光，于热透镜形成元件1的光吸收层膜入射面附近的位置5聚焦并同时照射。在此情形下，则如图3A所示，通过控制光入射面附近位置的形成热透镜50，信号光以大于平常出射光200的扩散角度出射，作为截面呈环状形式的扩散出射光201。另一方面，如图2B所示，使热透镜形成元件的光吸收层膜出射面附近的位置6结聚焦并同时照射，则如图3B所示，通过于控制光出射面附近位置形成的热透镜60。由于此热透镜60，使信号光作为汇聚的出射光117而出射。图2A与图2B的情况中，去除控制光的照射时，信号光不受热透镜50或60的影响，并作为具有正常扩散角度的出射光200而出射。
为检验上述热透镜效应，对应于热透镜效应的有无、以及聚光点位置的差异、进行信号光光束截面中光强度分布的差异的测定。更具体地，在概要示于图1或图4A及图4B的装置中，将接收透镜41的NA设为0.55，聚光透镜31的NA为0.25，如图7概要示出的，取代设有孔的反射镜61而设置光强度分布测定器700。并以接收透镜41对穿透热透镜形成元件1的信号光光束的全部进行接收，以将该光束准直。该平行光束向上述光强度分布测定器的光接收部分701(有效直径20mm)入射，以测定信号光光束截面的光强度分布。测定结果示于图8、图9及图10。此处，如图7所示，光强度分布测定器的装置700中，设置在光接收部分701(有效直径20mm)中的宽度1mm的第一狭缝702。并于第一狭缝的长度方向，即图7中自点710至点720的方向，以恒定速度移动宽度25μm的第二狭缝703。将通过两狭缝所形成的1mm×25μm的长方形窗的光强度，对应于上述窗的移动而测定。对应于上述窗的移动位置而测定光强度时，例如，在与第二狭缝703的移动速度同步的储存式示波器上，记录通过上述窗从接收光的检测器的输出。图8至图10显示如上所述的在储存式示波器上所记录的信号光的光束截面的光强度分布。图8至10中，对应于横轴(光束截面内的位置)的坐标系定义为：以光接收部分701的中心为0。图7的点710的位置为负方向、点720的位置在正方向。纵轴则表示光强度。
图8是示出对应于图4A的情况，在没有控制光但仅有信号光入射热透镜形成元件1的情况下，信号光束截面的光强度分布。此情况下的光强度分布，是为中心部分的强度强，但随着向周边而强度逐渐减弱的分布(大致为“高斯分布”)。因此，此情况下若如图4A一样设置具有充分大小的孔161的反射镜61，则信号光光束111全部可通过反射镜61的孔161。此处，假设作为平行光向聚光透镜31(焦距f1)入射的信号光的光束直径为d1，且通过接收透镜41(焦距f2)而准直成为平行光的信号光111的光束直径为d2，则下面的等式适用：
f1∶f2＝d1∶d2                                    [5]
因此，d2可以等式[6]求得。
d2＝(f1/f2)×d1                                   [6]
于本例子1中，反射镜61是设置为与信号光的光轴间具45度角。此外，通过孔161的信号光的截面是为圆形。因此，孔161的形状必须为短轴D1、长轴D2的椭圆，D1与D2具有下式[7]的关系。
D 2 = D 1 × 2 - - - [ 7 ]
此处，反射镜61的孔161的短轴D1应大于式[6]所求出的信号光光束111的光束直径d2。但若D1过大，则因控制光的照射而扩大为环状的信号光的一部份亦会通过该孔，这是所不期望的。因此，D1的最佳值是d2的1.02倍至1.20倍范围之间，更优选为1.01倍至1.10倍范围之间。
于本例子1中，聚光透镜31的焦距f1与接收透镜41的焦距f2是相同。因此，入射于聚光透镜31的信号光110的光束直径d1与由接收透镜准直成为平行光的信号光111的光束直径d2是相同，均为上述的10mm。因此，设有反射镜61的孔161的短轴D1优选为10.2mm至12.0mm的范围内，更优选为10.1mm至11.0mm的范围内。短轴实际上则为10.5mm。自式[7]则得知D2为14.8mm。此外，所用反射镜的大小(具有一侧长度为50mm的近似方形)足以将直径30mm的光束45度反射。
图9是将焦点(聚光点)设定为热透镜形成元件1的聚光透镜31附近的位置5(光的入射侧)，照射控制光时获得的信号光光束截面的光强度分布。此情况下，光强度分布成为中心部分的光强度弱、周边以环状方式增大。信号光光束截面中心部的光强度，因控制光强度及热透镜形成元件1与焦点间的位置关系而减少。随着控制光强度的增加，信号光光束截面中心部的光强度趋近于0。信号光强度的极大位置是在越过初始光束直径的位置(在直径约15mm的部分)。
关于对应于图10的热透镜效应的利用，记载于例子2。
综上所述，于图3A的光学配置中，对应于控制光照射的有无，通过热透镜形成元件的信号光光束截面的光强度分布，在图9的环状分布(控制光照射的情况)与图8的高斯分布(控制光未照射的情况)之间切换。通过适合于此信号光光束截面光强度分布形状的设有孔的反射镜，可将这两种信号光光束截面的光强度分布分别提取，由此可以进行信号光光路的切换。
于本例子1中，反射镜61亦可设置成与信号光的光轴间具45度角。反射镜61的镜面，是于玻璃面上溅镀或蒸镀铝膜而制成。反射镜61的孔161，是于玻璃上以45度倾斜钻一个椭圆形的孔而制成。不用钻孔，也可以以椭圆形状省略附加的铝反射膜。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。此外，反射膜并不限于铝制膜，只要是可反射所使用的控制光与信号光者均可，亦可为例如金、银等。
通过上述光路切换，自信号光初始方向变换90度方向而提取出的信号光211、212及213，是以聚光透镜71、72及73进行聚光，并分别入射光纤11、12及13。
在控制光的光源21、22及23全部关闭的情况下，信号光未受到热透镜效应影响，而作为信号光111、112与113而顺序出射。利用聚光透镜40将出射信号光113汇聚并入射光纤101。
另外，亦可取代光纤11、12、13或101，而使信号光入射检测器等，使得将携带的信息转换为电信号而取出。
此处，只要热透镜形成元件1、2及3的控制光透射率不为0％，则相当于透射率值的量的控制光穿透热透镜形成元件1、2及3而出射。为了避免该控制光进入后面的热透镜形成元件，以产生错误操作或串扰，热透镜形成元件1、2及3的控制光穿透率不一定为0％，但必须接近。此外，优选于热透镜形成元件1、2及3的后方或聚光透镜41、42及43的后方设置波长选择滤光器(未图示)。作为这种波长选择滤光器，只要是可完全遮断控制光的波段的光、另一方面可使信号光的波段的光高效地穿透的波长选择滤光器，可使用任意的公知滤光器。例如，可使用以色素着色的塑料或玻璃，于表面设置有电介质多层蒸镀膜的玻璃等。或者，可将此种由波长选择滤光器用材料所形成的薄膜，以涂布法、溅镀法等方法形成于聚光透镜41、42及43的表面，使其发挥作为上述波长选择滤光器的功能。
本例子1的光路切换装置，是将三段包括“控制光光源，分色镜，聚光透镜、热透镜形成元件、接收透镜以及设有孔的反射镜”所构成的光路切换单元并联而成的。因此，在控制光全部关闭的情况下，信号光是直线前进而入射光纤101。相对于此，在将控制光21打开的情况下，信号光211是输入光纤11。而控制光21关闭且控制光22打开时，信号光212输入光纤12。控制光21及22关闭而控制光23打开的情况下，信号光213则输入光纤13。以此方式，信号光光路可以切换。
本例子1中所使用的热透镜形成元件1，在图6中是作为热透镜形成元件600示出其概略构造的剖面图。信号光608及控制光609是透过聚光透镜610汇聚，并朝热透镜形成元件600照射。另外，控制光609的光线是示意性的，省略了各层膜间的折射。
热透镜形成元件600具有“热传导层膜601/光吸收膜603/热透镜形成层605/光吸收膜604/热传导层膜602”的结构，可以通过如下步骤制成。
用于衬底洗净的真空容器经由闸阀而连接于真空蒸镀装置。其中装设两盏中心波长185nm、输出功率5W的紫外线灯、以及两盏中心波长254nm、输出功率5W的紫外线灯，设置该灯使紫外线光照射于衬底表面。将一个或更多作为衬底(热传导层膜601及602)的玻璃板(24mm×30mm×0.15mm)送入后，大气压下，于真空容器内部充入通过可100％捕集直径0.05μm或更大微粒子的气体过滤装置的干净氮气，将真空容器内部的环境净化，直至无法检测出悬浮粉尘(直径0.1μm以上)及污染性气体为止。再导入经通过可100％捕集直径0.05μm或更大微粒子的气体过滤装置的氧气，将氧浓度提升至60％以上后，将紫外线灯点亮并历时一小时，以进行衬底表面的紫外线照射处理及臭氧处理。以上的净化处理结束后，将衬底洗净，用真空容器内部排气至10-4Pa或以下的高真空状态后，将衬底移送至同样为10-4Pa或以下的高真空状态的真空蒸镀装置内。以电阻线将预先导入至蒸镀源的铂酞青(分子式C32H16N8Pt)加热，加热至600℃，使其真空蒸镀于上述衬底上。在此过程中，未进行衬底温度的控制。以石英共振式膜厚计监控蒸镀的进行，并于膜厚到达0.2μm时关闭蒸镀源的闸门，结束蒸镀。
以扫描式电子显微镜对以上述程序于衬底上制成的蒸镀膜表面拍照。得知以上述条件进行真空蒸镀的铂酞青是以外径在30至50nm范围之间的粒子状态存在。此粒子直径小于本例子1的信号光波长(780nm)及控制光波长(633nm)的1/10。此大小的粒子不会导致光散射。
同时，将1g聚碳酸酯树脂(帝人化成制Panlite L1250(注册商标))溶解于19g二氯甲烷中，所形成的溶液一边搅拌一边注入300ml n-己烷中，将析出的小树脂块过滤，于30ml的n-己烷中洗净，于干净的空气中除去溶剂，并将其粉碎为粒子外径不足50μm的微粉末。将此聚碳酸酯树脂微粉末于10-4Pa或以下的高真空容器中缓缓加热，于100℃至120℃的温度范围中进行48小时的脱气处理。
于干净的环境下，于先前所制成的玻璃衬底上的铂酞青蒸镀膜的上，散布经高真空脱气处理的树脂微粉末，于其上再重迭放置一片玻璃衬底上的铂酞青蒸镀膜，将其置于设置在高真空容器内的加热台上，容器内排气至10-4Pa或以下，并加热至240至260℃。另外，以加热到240至260℃的加压板压合，于5kgf/cm2的压力下进行真空热压。
经由以上的步骤，制成构造为“玻璃(热传导层膜601，膜厚150μm)/铂酞青蒸镀膜(光吸收膜603，膜厚0.2μm)/聚碳酸酯树脂层(热透镜形成层605，膜厚20μm)/铂酞青蒸镀膜(光吸收膜604、膜厚0.2μm)/玻璃(热传导层膜602，膜厚150μm)”的层叠型热透镜形成元件。此热透镜形成元件对于波长780nm的信号光透射率是81％，对于波长633nm的控制光透射率为0.09％(基本上为0％)。
另外，热透镜形成层的厚度是以调整树脂粉末的散布量、加热温度及加压处理时间(数分钟至数小时)来控制。
为了测定本例子1的光路切换装置的光应答速度，使信号光为连续光，而使控制光为频率数Hz到100Hz、占空比1∶1的矩形波断续光束而照射。将信号光和控制光照射，以比较通过光路切换获得的信号光的强度振幅大小。
将来自图1所示的控制光光源21的控制光121导向光检测器并于示波器上所测定的控制光的波形1210，及对应于控制光121的ON/OFF而进行光路切换的信号光211导向光检测器上所测定的信号光波形2110示于图13及图14。另外应当注意，图14的纵轴是将图13的纵轴扩大三倍。此外，断续控制光121的矩形波的频率设定为200Hz至100kHz，并将对应于此时的信号光断续的信号光波形2110而测定的振幅L的结果示于图15。
如图13中所示，断续控制光121(图1)的矩形波的频率是500Hz。假设对应于此时的信号光的断续的信号光波形2110的振幅L作为基准振幅值1，则于断续控制光121(图1)的矩形波的频率范围在0.2至2kHz中，获得的振幅L大致为1。即，确认可以500微秒进行完全的光路切换。相较于应答速度为毫秒等级的使用以电加热器造成热光学效果的光开关，此应答速度为其两倍以上。
作为进一步提高频率的情况的例子，频率20kHz的信号光的波形2110示于图14。自图14可知，若在热透镜效应所形成的光路切换未完成的时间内将控制光关闭，则信号光的波形成为锯齿状，振幅L会减小。即，若超过热透镜效应的应答速度，光路的切换不完全，信号光的一部分会未进行光路切换而保持直线前进。
为了测定本例子1的光路切换装置的耐久性，使信号光为连续光，而使控制光为频率数1kHz、占空比1∶1的矩形波断续光束而照射。将信号光和控制光照射以根据时间比较通过光路切换的信号光的强度振幅大小。结果得知，即使连续经过10000个小时，信号光的强度振幅亦不衰减。
为了验证本例子1的光路切换装置的偏振依赖型，将一个偏振元件插入信号光及控制光的每个之中，以将偏光角作各种变化而进行实验。然而，检测到完全不具偏振依赖型。
[例子2]
图10显示信号光光束截面的光强度分布的一个例子，是在对应于图3B及图11B所示的光学配置所获得的情况，其中照射控制光并将焦点(汇聚点)设定在接近图2B所示的热透镜形成元件1的接收透镜41附近的位置6(光的出射侧)。在此例子中，中心部分的光强度较未照射控制光的情况的中心部分光强度(图8)更强。此情况中，信号光光束截面的中心部的光强度依赖于控制光强度及热透镜形成元件1与焦点6的位置关系，有控制光时中心部分的强度数倍大于控制光未照射时的强度。
因此，此情况中若设置反射镜61，则大部份的信号光光束通过反射镜的孔161。此处，若将设有孔的反射镜61的孔161大小优化(本例子2的情况为直径2mm)，则反射镜61所反射的信号基本上为0。然而，即使将反射镜61的孔161大小优化，在未照射控制光的情况(图4A、图8)，仍无法防止信号光中心部分穿过孔161，而作为信号光泄漏116的情形。即，本例子2的光路切换装置中，于信号光光束截面的光强度分布假设为高斯分布或类似分布的情况，无法避免发生某种程度的信号光泄漏116(串扰)。
然而，通过改变入射于热透镜形成元件的信号光光束截面的光强度分布，可使此种信号光泄漏基本上成为0。更具体的，将自光纤100所出射的信号光110以准直透镜30进行整形时，可通过选择合适的透镜形状(例如利用圆锥形透镜)或构造(组合凸透镜与凹透镜)，而使信号光光束截面的光强度分布调节为相当于图9所示的环状分布。以聚光透镜31使具此种截面光强度分布的信号光110汇聚到焦点位置6(图11A)，由此透过热透镜形成元件1，随后使用接收透镜41恢复为平行光线。则由此获得的该光束截面的光强度分布可成为相当于图9的周边部分强度较高、中心部分基本上为0的“环状”分布。以此方式，在设置反射镜61的情况下，可使通过该孔161的信号光泄漏基本上消除。信号光光束截面的光强度分布成为此种“环状”时，在图11所示，照射控制光以临时地形成热透镜60的情况下，信号光光束可以成形为尖锐状的光束(sharp beam)并作为汇聚输出信号光117而输出，通过反射镜61的孔161而直线传播。
总的说来，于图11所例示的光学配置中，将控制光及信号光的焦点调整成为接近热透镜形成元件的出射侧的位置6，并进一步使信号光光束截面的光强度分布成为环状。以此方式，可以在控制光未照射时，使输出信号光由原来的光束方向改变90度，并且，于控制光照射时则使信号光直线前进。
为了测定本例子2的光路切换装置的光应答速度，使信号光为连续光，另一方面，使频率为数Hz到100Hz之间、占空比1∶1的矩形波断续光束为控制光。将信号光和控制光照射，以比较通过光路切换获得的信号光的强度振幅大小。结果，以1Hz时信号光的强度振幅作为基准，到2kHz为止，强度振幅均未探测到变化。当进一步提高频率的情况下，强度振幅则逐渐衰减，至10kHz时减为一半。即，确认可以500微秒可以进行完全的光路切换。此应答速度相较于使用以电加热器造成热光学效果的光开关，为其速度两倍以上。
为了测定本例子2的光路切换装置的耐久性，使信号光为连续光，另一方面，使控制光频率为1kHz、占空比1∶1的矩形波断续光束而照射。照射信号光和控制光，以根据时间比较通过光路切换获得的信号光的强度振幅大小。结果得知，即使连续经过10000个小时，信号光的强度振幅亦不衰减。
[例子3]
通过将例子1的反射镜61的设置角度(相对于信号光110的光轴为45度)改变，并利用三角函数计算并决定椭圆状孔161的形状(长轴对于短轴的长度)，可使得信号光110相对于光轴切换的光路角度，可于约5度至175度的范围内自由改变。
此外，将信号光110的光轴作为旋转轴，旋转反射镜61的设置，并据此调整聚光透镜71等的位置，亦可由此将信号光110相对于其光轴的光路切换方向在360度的范围内自由改变。
[例子4]
除去使用以下记载的方法制成的热透镜形成元件取代例子1中包括光吸收层膜中铂酞青蒸镀膜的热透镜形成元件，以与例子1中同样的方式制作本例子4的光路切换装置。通过使用例子4装置执行光路切换过程，可得到与例子1情况相同或更加优异的结果。
首先，将四胺铜酞青在浓盐酸中重氮化。并于所获得的物质中加入甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、以及甲基丙烯酸2-羟乙酯的单体的混合物(摩尔比4∶1∶1)。将混合物逐渐加热，以合成含有铜酞青的聚合体结合色素(总重量中，铜酞青部分的重量约60％)。将该染料溶解于2-丁酮中以除去酸及不溶解物质，随后在以经曝露于空气中而降低活性度的矾土(平均微粒直径约50μm)为填充剂的管柱中，以2-丁酮为溶剂进行净化。随后，将净化后的聚合体结合色素于二氯甲烷中与聚碳酸酯树脂混合，以获得聚合体结合色素相对于树脂的重量含量为0.5％的混合物。除去溶剂，将所得材料粉碎成微粉末状。于10-4Pa或以下的高真空状态下，将该粉末自室温逐渐升温至200℃并进行脱气处理。
用于衬底洗净的真空容器通过闸阀而连接于真空蒸镀装置。在该真空容器之内装设两盏中心波长185nm、输出功率5W的紫外线灯与两盏中心波长254nm、输出功率5W的紫外线灯，使得紫外线光照射于衬底表面上。将一片或更多作为衬底(作为热传导层膜601及602)的玻璃板(24mm×30mm×0.15mm)送入该真空容器。随后于大气压下，真空容器内部充满经通过可100％捕集直径0.05μm或更大微粒子的气体过滤装置的干净氮气。将该真空容器内部的环境净化的过程继续，直至无法检测出悬浮粉尘(直径0.1μm以上)及污染性气体为止。再导入经通过可100％捕集直径0.05μm或更大微粒子的气体过滤装置的氧气，将氧浓度提升至60％以上后，将紫外线灯打开并历时一小时，以进行衬底表面的紫外线照射处理及臭氧处理。以上的净化处理结束后，用于衬底洗净的真空容器内部排气至10-4Pa或以下的高真空状态。随后，将衬底移送至同样为10-4Pa或以下的高真空状态的真空热压装置内。
在表面经上述净化的两片玻璃板之间，放置上述的含铜酞青的聚合体结合色素与聚碳酸酯树脂的混合粉末。在10-4Pa或以下的高真空状态下，将该多层材料于250℃进行热压加工后，冷却至室温。
经由以上步骤，制成具有“玻璃(热传导层膜601，膜厚150μm)/含铜酞青的聚合体结合色素与聚碳酸酯的混合物所形成的光吸收层膜兼热透镜形成层(膜厚25μm)/玻璃(热传导层膜602，膜厚150μm)”的构造的热透镜形成元件。
为了测定本例子4的光路切换装置的光应答速度，使连续光作为信号光使用，而使频率为数Hz到100Hz范围之间、占空比1∶1的矩形波断续光束作为控制光。将信号光和控制光照射，使得比较通过光路切换而获得的信号光的强度振幅大小。结果，以1Hz时信号光的强度振幅作为基准，到3kHz为止，强度振幅均未变化。而当进一步提高频率的情况下，强度振幅则逐渐衰减，至12kHz时减为参考值的一半。即，确认光路切换可以在333微秒完成。此应答速度相较于使用以电加热器造成热光学效果的光开关，为其速度3倍以上。
为了测定本例子4的光路切换装置的耐久性，使连续光作为信号光使用，而使频率为1kHz、占空比1∶1的矩形波断续光束为控制光。将这些信号光与控制光照射，以根据时间比较通过光路切换而获得的信号光的强度振幅大小。结果得知，即使连续经过20000个小时，信号光的强度振幅亦不衰减。
工业应用
如以上详细说明，通过本发明，可提供一种光路切换装置及光路切换方法，其不须使用电路或机械移动部件。这种光路切换装置及光路切换方法可靠、耐久性高、且不具偏振依赖型。并可自由设定光路切换角度及方向，减小了信号光强度的衰减，且该光路切换装置及光路切换方法可多重连结使用。此外，该光路切换装置及光路切换方法获得足够快速实用的应答速度。
因此，随着互联网以及公司家庭局域网的普及，为了应对网络通讯爆炸性的增加，本发明可提供不使用电信号的光路切换装置(光开关)，即，可提供光——光直接切换。

Claims (30)

1、一种光路切换装置，包括：
光吸收层膜，设置为至少使控制光聚焦在所述光吸收层膜上；
于所述光吸收层膜中，使波长为选自所述光吸收层膜所吸收的波段的控制光，与波长为选自所述光吸收层膜不吸收的波段的信号光中的每个汇聚而照射的装置；
包含所述光吸收层膜的热透镜形成元件，其中通过根据因所述光吸收层膜吸收所述控制光的区域以及其周边区域产生的温度上升所造成的折射率分布而可逆地形成热透镜，使得对应于是否有所述控制光照射，将已汇聚的信号光以汇聚状态出射，或将该信号光的扩散角度改变后而出射；以及
具有孔及反射装置的反射镜，其中根据是否有所述控制光照射，使从所述热透镜形成元件出射的信号光通过所述孔，或经由所述反射装置反射以使光路变化。
2、一种光路切换装置，包括：
光吸收层膜，设置为至少使控制光聚焦在所述光吸收层膜上；
于所述光吸收层膜中，使波长为选自所述光吸收层膜所吸收的波段的控制光，与波长为选自所述光吸收层膜不吸收的波段的信号光中的每个汇聚而照射的装置；
包含所述光吸收层膜的热透镜形成元件，其中并通过根据所述光吸收层膜吸收控制光的区域以及其周边区域产生的温度上升所造成折射率分布而可逆地形成热透镜，使得在控制光未照射且所述热透镜未形成的情况下，使所述已汇聚的信号光以正常扩散角度扩散并出射，以及在将控制光照射且于所述光吸收层膜入射面附近形成所述热透镜的情况下，则使所述已汇聚的信号光以大于正常扩散角度的扩散角度扩散并出射，因而使得对应于是否有控制光的照射而改变出射信号光的扩散角度；以及
用于改变光路的反射镜，包括有孔，在控制光未照射且未形成所述热透镜的情况下，使得以正常的扩散角度从所述热透镜形成元件出射的信号光通过该孔，或使透过接收透镜改变扩散角度之后的信号光从该孔通过，以及反射装置，在将控制光照射且在所述光吸收层膜入射面附近形成热透镜的情况下，反射以大于正常的扩散角度从热透镜形成元件扩散并出射的信号光、或反射使通过接收透镜改变扩散角度之后的信号光。
3、一种光路切换装置，包括：
光吸收层膜，设置为至少使控制光聚焦在所述光吸收层膜上；
于所述光吸收层膜中，使波长为选自所述光吸收层膜所吸收的波段的控制光，与波长为选自所述光吸收层膜不吸收的波段的信号光中的每个汇聚而照射的装置；
包含所述光吸收层膜的热透镜形成元件，其中通过根据所述光吸收层膜吸收控制光的区域以及其周边区域产生的温度上升所造成折射率分布而可逆地形成热透镜，使得在将控制光照射且在所述光吸收层膜的出射面附近形成所述热透镜的情况下，使已汇聚的信号光汇聚出射，以及在控制光未照射且所述热透镜未形成的情况下，使已汇聚的信号光以大于正常扩散角度出射，因而使得对应于是否有控制光的照射而改变出射信号光的扩散角度；以及
用于改变光路的反射镜，包括有孔，在将控制光照射且在所述光吸收层膜的输出面附近形成所述热透镜的情况下，使得从所述热透镜形成元件出射的汇聚信号光通过该孔，以及反射装置，在控制光未照射且未形成热透镜的情况下，反射以正常的扩散角度从所述热透镜形成元件出射的信号光、或反射穿过设置为改变扩散角度的接收透镜之后的信号光。
4、如权利要求2的光路切换装置，其中，所述热透镜形成元件是由层叠膜构成。
5、如权利要求3的光路切换装置，其中，所述热透镜形成元件是由层叠膜构成。
6、如权利要求2的光路切换装置，其中，所述光吸收层膜的膜厚不超过所述汇聚的控制光的共焦距的两倍。
7、如权利要求3的光路切换装置，其中，所述光吸收层膜的膜厚不超过所述汇聚的控制光的共焦距的两倍。
8、如权利要求2的光路切换装置，其中，控制所述光吸收层膜的光吸收成分浓度、或所述光吸收层膜中包括的光吸收膜的厚度中的一个或是两个，以使所述热透镜形成元件中穿过光吸收层膜传播的控制光透射率在90％至0％的范围之间，并于控制光未照射的状态下，使通过所述热透镜形成元件的光吸收层膜传播的信号光的透射率在10％至大约100％的范围之间。
9、如权利要求3的光路切换装置，其中，控制所述光吸收层膜的光吸收成分浓度、或所述光吸收层膜中包括的光吸收膜的厚度中的一个或是两个，以使所述热透镜形成元件中穿过光吸收层膜传播的控制光透射率在90％至0％的范围之间，并于控制光未照射的状态下，使于所述热透镜形成元件中穿过光吸收层膜传播的信号光的透射率在10％至大约100％的范围之间。
10、如权利要求2的光路切换装置，其中，
所述光吸收层膜包括热透镜形成层；
所述热透镜形成层是由液晶形成；且
所述液晶至少包括一种液晶，其选自一个组中，该组包括各种胆固醇衍生物、
4’-正烷氧基苯亚甲基-4-氰基苯胺、
4’-烷氧基苯亚甲基苯胺、
4’-氰基苯亚甲基-4-烷氧基苯胺、
碳酸酯、
4’-烷氧基苯基4-烷基苯酸酯、
氧化偶氮苯衍生物、
4-氰基-4’-烷基联苯、
及铁电液晶，包括：
(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、
及4’辛基联苯-4-羧酸4-(2-甲基丁基)苯基酯。
11、如权利要求3的光路切换装置，其中，
所述光吸收层膜具有热透镜形成层；
热透镜形成层是由液晶形成；且
所述液晶至少包括一种液晶，其选自一个组中，该组包括各种胆固醇衍生物、
4’-正烷氧基苯亚甲基-4-氰基苯胺、
4’-烷氧基苯亚甲基苯胺、
4’-氰基苯亚甲基-4-烷氧基苯胺、
碳酸酯、
4’-烷氧基苯基4-烷基苯酸酯、
氧化偶氮苯衍生物、
4-氰基-4’-烷基联苯、
及铁电液晶，包括：
(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、
及4’辛基联苯-4-羧酸4-(2-甲基丁基)苯基酯。
12、如权利要求2的光路切换装置，其中，
所述照射装置控制所述信号光与所述控制光中每个的光束截面形状及大小，使得所述信号光具有最大光子密度的束腰附近的光束截面不超过所述控制光束腰的光束截面。
13、如权利要求3的光路切换装置，其中，
所述照射装置控制所述信号光与所述控制光中每个的光束截面形状及大小，使得所述信号光具有最大光子密度的束腰附近的光束截面不超过所述控制光束腰的光束截面。
14、如权利要求2的光路切换装置，其中，
使所述信号光与控制光中的每个汇聚并照射的装置为聚光透镜；并且
而所述接收透镜的数值孔径是所述聚光透镜数值孔径的不小于两倍。
15、如权利要求3的光路切换装置，其中，
使所述信号光与控制光中的每个汇聚并照射的装置为聚光透镜；并且
而所述接收透镜的数值孔径是所述聚光透镜数值孔径的不小于两倍。
16，一种光路切换方法，包括，
于至少包含光吸收层膜的热透镜形成元件中设置的所述光吸收层膜上，使波长为选自所述光吸收层膜所吸收的波段的控制光、以及波长为选自所述光吸收层膜不吸收的波段的信号光中的每个汇聚并照射，并调整所述光吸收层膜的设置，使得至少所述控制光聚焦在所述光吸收层膜之内，由此使得根据所述光吸收层膜吸收控制光的区域以及其周边区域所产生的温度上升所产生的折射率分布而可逆地形成热透镜，使得对应于是否有控制光照射，使所述已汇聚的信号光以汇聚形式出射，或在信号光的扩散角度变化后出射；以及
使用具有反射装置和孔的反射镜，使得对应于是否有控制光照射，使从所述热透镜形成元件出射的信号光通过所述孔，或通过所述反射装置反射以改变光路。
17、一种光路切换方法，包括，
在至少包含光吸收层膜的热透镜形成元件中设置的所述光吸收层膜内，使波长为选自所述光吸收层膜所吸收的波段的控制光、以及波长为选自所述光吸收层膜不吸收的波段的信号光中的每个汇聚并照射，并调整所述光吸收层膜的设置，使得至少所述控制光聚焦在所述光吸收层膜之内，从而根据所述光吸收层膜吸收控制光的区域以及其周边区域所产生的温度上升所产生的折射率分布而可逆地形成热透镜，使得在控制光未照射且未形成热透镜的情况下，使信号光以正常的扩散角度自热透镜形成元件出射，并且，在将控制光照射且在所述光吸收层膜入射面附近形成热透镜的情况下，使所述已汇聚的信号光以大于正常扩散角度的扩散角度自热透镜形成元件出射，由此对应于是否有控制光照射而改变出射信号光的扩散角度；
在控制光未照射，且没有形成热透镜的情况下，使以正常扩散角度自热透镜形成元件出射的信号光、或通过接收透镜改变扩散角度之后的信号光，通过反射镜上的孔并沿直线传播；以及
在将控制光照射，且于所述光吸收层膜的入射面附近形成热透镜的情况下，使得以大于正常扩散角度的扩散角度自热透镜形成元件出射的信号光、或通过接收透镜改变扩散角度之后的信号光，使用反射镜的反射面反射以改变光路。
18、一种光路切换方法，包括，
在至少包含光吸收层膜的热透镜形成元件中设置的所述光吸收层膜内，使波长为选自所述光吸收层膜所吸收的波段的控制光、以及波长为选自所述光吸收层膜不吸收的波段的信号光中的每个汇聚并照射，并调整所述光吸收层膜的设置，使得至少所述控制光聚焦在所述光吸收层膜之内，从而根据所述光吸收层膜吸收控制光的区域以及其周边区域所产生的温度上升所产生的折射率分布而可逆地形成热透镜，使得在将控制光照射且在所述光吸收层膜出射面附近形成热透镜的情况下，使所述已汇聚的信号光自热透镜形成元件汇聚出射，并且在控制光未照射且未形成热透镜的情况下，使汇聚的信号光以正常的扩散角度自热透镜形成元件出射，由此对应于是否有控制光照射而改变出射信号光的扩散角度；
在将控制光照射，且于所述光吸收层膜的出射面附近形成热透镜的情况下，使得从热透镜形成元件出射的汇聚信号光穿过反射镜上的孔，并沿直线传播；以及
在控制光未照射，且未形成热透镜的情况下，使得以正常扩散角度自热透镜形成元件出射的信号光、或通过接收透镜改变扩散角度之后的信号光，使用反射镜的反射面反射以改变光路。
19、如权利要求17的光路切换方法，其中，所述热透镜形成元件是由层叠膜构成。
20、如权利要求18的光路切换方法，其中，所述热透镜形成元件是由层叠膜构成。
21、如权利要求17的光路切换方法，其中，所述光吸收层膜的膜厚不超过所述汇聚的控制光的共焦距的两倍。
22、如权利要求18的光路切换方法，其中，所述光吸收层膜的膜厚不超过所述汇聚的控制光的共焦距的两倍。
23、如权利要求17的光路切换方法，其中，控制所述光吸收层膜的光吸收成分浓度、或所述光吸收层膜中包括的光吸收膜的厚度中的一个或是两个，以使所述热透镜形成元件中穿过光吸收层膜传播的控制光透射率在90％至0％的范围之间，并于控制光未照射的状态下，使于所述热透镜形成元件中穿过光吸收层膜传播的信号光的透射率在10％至大约100％的范围之间。
24、如权利要求18的光路切换方法，其中，控制所述光吸收层膜的光吸收成分浓度、或所述光吸收层膜中包括的光吸收膜的厚度中的一个或是两个，以使所述热透镜形成元件中穿过光吸收层膜传播的控制光透射率在90％至0％的范围之间，并于控制光未照射的状态下，使于所述热透镜形成元件中穿过光吸收层膜传播的信号光的透射率在10％至大约100％的范围之间。
25、如权利要求17的光路切换方法，其中，
所述光吸收层膜包括热透镜形成层；
所述热透镜形成层是由液晶形成；且
所述液晶至少包括一种液晶，其选自一个组中，该组包括各种胆固醇衍生物、
4’-正烷氧基苯亚甲基-4-氰基苯胺、
4’-烷氧基苯亚甲基苯胺、
4’-氰基苯亚甲基-4-烷氧基苯胺、
碳酸酯、
4’-烷氧基苯基4-烷基苯酸酯、
氧化偶氮苯衍生物、
4-氰基-4’-烷基联苯、
及铁电液晶，包括：
(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、
及4’辛基联苯-4-羧酸4-(2-甲基丁基)苯基酯。
26、如权利要求18的光路切换方法，其中，
所述光吸收层膜包括热透镜形成层；
所述热透镜形成层是由液晶形成；且
所述液晶至少包括一种液晶，其选自一个组中，该组包括各种胆固醇衍生物、
4’-正烷氧基苯亚甲基-4-氰基苯胺、
4’-烷氧基苯亚甲基苯胺、
4’-氰基苯亚甲基-4-烷氧基苯胺、
碳酸酯、
4’-烷氧基苯基4-烷基苯酸酯、
氧化偶氮苯衍生物、
4-氰基-4’-烷基联苯、
及铁电液晶，包括：
(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、
及4’辛基联苯-4-羧酸4-(2-甲基丁基)苯基酯。
27、如权利要求17的光路切换方法，其中，
当所述信号光和控制光照射的时候，控制所述信号光与所述控制光中每个的光束截面形状及大小，使得所述信号光具有最大光子密度的束腰附近的光束截面不超过所述控制光束腰的光束截面。
28、如权利要求18的光路切换方法，其中，
当所述信号光和控制光照射的时候，控制所述信号光与所述控制光中每个的光束截面形状及大小，使得所述信号光具有最大光子密度的束腰附近的光束截面不超过所述控制光束腰的光束截面。
29、如权利要求17的光路切换方法，其中，
使所述信号光与控制光中的每个汇聚并照射的装置为聚光透镜；并且
而所述接收透镜的数值孔径是所述聚光透镜数值孔径的不小于两倍。
30、如权利要求18的光路切换方法，其中，
使所述信号光与控制光中的每个汇聚并照射的装置为聚光透镜；并且
而所述接收透镜的数值孔径是所述聚光透镜数值孔径的不小于两倍。
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