TWI444745B - 光路切換裝置及光信號之光路切換方法 - Google Patents

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TWI444745B TW100110705A TW100110705A TWI444745B TW I444745 B TWI444745 B TW I444745B TW 100110705 A TW100110705 A TW 100110705A TW 100110705 A TW100110705 A TW 100110705A TW I444745 B TWI444745 B TW I444745B
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Takashi Hiraga
Noritaka Yamamoto
Hirofumi Watanabe
Shiro Futaki
Noriyasu Shiga
Norio Tanaka
Shigeru Takarada
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Dainichiseika Color Chem
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Description

光路切換裝置及光信號之光路切換方法
本發明係有關光路切換裝置及光信號之光路切換方法，該裝置係活用在光通信或光資訊處理等之光電子或光學之各個領域中，且利用熱透鏡方式光控制式光路切換開關來進行光路之切換。
本發明人等先前根據新的原理發明有光路切換裝置及方法(參照專利文獻1)。在該光路切換裝置等所具有之構造是對熱透鏡形成光元件內之控制光吸收區域，使控制光吸收區域吸收之波長帶之控制光、和控制光吸收區域未吸收之波長帶之信號光，以各光軸一致之方式收斂而得以照射。依照此種構造時，對於對熱透鏡形成光元件內之控制光吸收區域之信號光之照射，可選擇性地進行控制光之照射。在控制光之照射和信號光之照射未同時進行時，信號光通過具有孔洞之平面鏡(mirror)之孔洞直進，另一方面，在控制光之照射和信號光之照射同時進行時，利用被設置成對信號光之行進方向傾斜之具有孔洞之平面鏡將其反射，用來變更光路。在專利文獻1中所揭示之光控制型光路切換裝置係可利用1種波長之控制光將信號光之行進方向切換到2個方向。此種之光控制型光路切換裝置以下稱為「1對2型光控制型光路切換裝置」。
另外，本發明人等發明有組合使用複數個熱透鏡形成光元件及具有孔洞之平面鏡所構成之光控制式之光路切換裝置及光信號光路切換方法(參照專利文獻2)。在該光路切換裝置等所揭示之系統是使控制光吸收區域所吸收之波長帶和控制光之波長成為1對1地對應，另外，例如使用吸收波長帶不同之色素之3種控制光吸收區域之熱透鏡形成光元件，使用合計7個組合，一起控制3種波長之控制光之各個之明滅，用來例如以光控制方式將伺服器之資料切換到8個位置地配信。
另外，在上述之專利文獻1及2所揭示之光路切換方式中，當照射控制光之情況時，利用熱透鏡效應使信號光之射束剖視形狀變化成為環狀。因此，以下將該光路切換方式稱為「環射束方式」。
另外，本發明人等之後提案有如專利文獻3至6所揭示之光路變更方法及光路切換裝置。依照該等光路變更方法及光路切換裝置時，對熱透鏡形成光元件中之控制光吸收區域，射入被控制光吸收區域吸收之波長帶之控制光、及不被控制光吸收區域吸收之波長帶之信號光，控制光及信號光以被收斂在控制光吸收區域之方式照射，且照射成使各個之光之收斂點之位置為不同。控制光及信號光在光之行進方向於控制光吸收區域之射入面或其近邊收斂，然後擴散。利用此種方式，在控制光吸收區域內於吸收控制光之區域及其周邊區域產生溫度上升，且由於該溫度之上升而可以可逆性地使熱透鏡之構造變化，折射率變化，信號光之行進方向變化。在專利文獻3至6所記載之光路變更之方式中，即使照射控制光，信號光之射束剖視形狀亦保持為大致圓形。因此，以下將該光路變更之方式稱為「圓射束方式」。
在專利文獻4及5揭示有利用1種波長之控制光將控制光之行進方向切換到2個方向之1對2型光控制型光路切換裝置。另外，在專利文獻5及6中所揭示之光控制型光路切換裝置是例如使從七芯光纖之中心光纖射出之信號光之光路，利用從被設在中心光纖之周邊之光纖射出之控制光切換到7個方向。該光控制型光路切換裝置以下稱為「1對7型光控制型光路切換裝置」。另外，先前技術之圓射束方式之光控制型光路切換裝置，特別是在1對7型光控制型光路切換裝置中，控制光及信號光是以收斂在控制光吸收區域之方式照射且以各個之光之收斂點之位置成為不同之方式照射，但是為了避免複數個控制光射束及1個信號光射束之光軸之位置對準之煩雜，和避免使用對偏波相關性造成不良影響之二色平面鏡(dichromatic mirror)，最好使用專利文獻7所記載之端面靠近之多芯捆光纖(End face approach multi-core bundle optical fibre)。另外，在專利文獻8詳細地揭示適於有效利用熱透鏡效應之熱透鏡形成光元件之形態，及使用在熱透鏡形成光元件之色素溶液之溶劑之黏度及黏度之溫度特性。另外，在專利文獻6揭示例如以七芯光纖檢測切換到7個方向之信號光之光控制型光路切換裝置。
專利文獻1：日本專利第3809908號公報
專利文獻2：日本專利第3906926號公報
專利文獻3：日本特開2007-225825號公報
專利文獻4：日本特開2007-225826號公報
專利文獻5：日本特開2007-225827號公報
專利文獻6：日本特開2008-083095號公報
專利文獻7：日本特開2008-076685號公報
專利文獻8：日本特開2009-175164號公報
在蝕刻單模光纖之包層(clad)以捆束複數根之方法製造先前技術之圓射束方式之光控制型光路切換裝置所使用之端面靠近之多芯捆(bundle)光纖之情況時，由於光纖之強度上之限制，端面靠近之多芯捆光纖之芯子中心間距離，亦即被蝕刻處理之包層直徑要小於40μm會有困難。其結果是使用端面靠近之多芯捆光纖作為信號光及控制光之射入元件之情況時，在熱透鏡形成光元件中，控制光之光吸收所形成之熱透鏡區域對信號光射束之光路變更造成之影響被減輕，使控制光功率之利用效率下降。另外，會有熱透鏡效應之回應變慢之問題。另外，熱透鏡區域和信號光射束之互相作用無法充分進行，光路變更角不能變大，用以檢測信號射束之檢測器間隔必需變小。但是，當檢測器使用光纖之情況時，如上述之說明，要使間隔變小會有困難。即使使檢測器間隔變大，經光路變更之信號光射束點亦會肥大化，直進信號光及鄰接之對別的方向之信號光光路之串擾會變大為其問題。
另外，如專利文獻5所示，對於未照射從熱透鏡射出之控制光之信號光和照射有控制光之信號光，在使用只以同一透鏡等聚光之光學手段聚光到檢測器之情況時，信號光之光軸不是對光纖端面垂直射入，在使用光纖之情況時，信號光之檢測效率變差。
本發明之目的是針對上述之問題提供光路切換裝置及光信號之光路切換方法，使控制光之光吸收所形成之熱透鏡區域和信號光射束之位置接近，使控制光功率儘可能地降低，且使熱透鏡效應之回應速度加快，提高信號光之檢測效率，更且減低複數個光路切換信號光相互間及與直進信號光之串擾。
本發明之光路切換裝置及光信號之光路切換方法為著達成上述之目的以下面所述方式構成。
本案之申請專利範圍第1項之發明之光路切換裝置係具有：信號光光源，用來照射1種以上之波長之信號光；2個以上之控制光光源，用來照射與上述信號光不同之特定波長之控制光；熱透鏡形成光元件，包含有光吸收層使上述信號光穿透，而選擇性地吸收上述控制光；以及聚光手段，在上述光吸收層使上述控制光和上述信號光之各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同，而收斂射入在上述光吸收層內；上述熱透鏡形成光元件藉由使上述控制光和上述信號光在光之行進方向收斂在上述光吸收層內後進行擴散，而在上述光吸收層內之吸收上述控制光之區域及在其周邊區域，產生之溫度上升所引起的過渡性形成熱透鏡，利用該熱透鏡在上述光吸收層內產生折射率分佈，改變上述信號光之行進方向，用來進行光路切換；再且，設置第1受光手段和第2受光手段，使無上述控制光照射之行進方向不變之直進信號光，和有上述控制光照射且經光路切換之信號光，由相同之上述第1受光手段和上述第2受光手段分別進行收斂或聚光；且在上述第1受光手段和上述第2受光手段之間設置楔型稜鏡，使無上述控制光照射之行進方向不變之直進信號光，和有上述控制光照射且經光路切換之信號光，經分光後之狀態下折射地通過；且復具有：
(1)　上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面對重力之方向被設置成為垂直，且射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向與重力之方向相同；
(2)　上述聚光手段構成縮小投影光學系，在上述光吸收層之射入面將上述控制光和上述信號光分別聚光使各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同；
(3)　上述楔型稜鏡設有1個以上之楔面對應到經光路切換之上述信號光之各個之通過位置；
(4)　上述楔型稜鏡對經光路切換之上述信號光之各個之通過位置，復設有1個以上之楔面，使經光路切換之上述信號光之光軸，對無上述控制光照射之行進方向不變之上述直進信號光之光軸，向接近方向折射；
(5)　上述熱透鏡形成光元件被配置之位置是在未配置有上述楔型稜鏡之情況時，行進方向不變之上述直進信號光和經光路切換之上述信號光，由上述第1受光手段及上述第2受光手段收斂或聚光在同一位置；
從上述(1)至(5)構成之群組中選擇1個以上。
本案申請專利範圍第2項之發明之光路切換裝置之特徵是在申請專利範圍第1項所述之光路切換裝置中，使上述信號光及控制光從上述熱透鏡形成光元件之射入面之上方射入。
本案申請專利範圍第3項之發明之光路切換裝置之特徵是在申請專利範圍第1或2項所述之光路切換裝置中，復具有端面靠近之多芯捆光纖，可以被利用前述第1受光手段及第2受光手段收斂或聚光之行進方向不變之上述直進信號光和經光路切換之上述信號光分別射入。
本案申請專利範圍第4項之發明之光路切換裝置之特徵是在申請專利範圍第1至3項中任一項所述之光路切換裝置中，復具有：中心光纖，以非緊束終端連接上述信號光光源；及接近端面之七芯捆光纖，使6根周邊光纖之非緊束終端連接到照射與上述信號光不同波長之控制光之2個至6個之上述控制光光源之各個。
本案申請專利範圍第5項之發明之光路切換裝置之特徵是在申請專利範圍第1至4項中任一項所述之光路切換裝置中，使上述楔形稜鏡為六角錐台型稜鏡；且無上述控制光照射之行進方向不變之上述直進信號光通過六角錐台型稜鏡之頂部平面，經光路切換之上述信號光通過六角錐台型稜鏡之6個楔面之任一個，分別從六角錐台型稜鏡射出。
本案申請專利範圍第6項之發明之光路切換裝置之特徵是在申請專利範圍第1至5項中任一項所述之光路切換裝置中，使第1受光手段和第2受光手段是焦點距離為1.0mm至3.0mm之球面或非球面凸透鏡。
本案申請專利範圍第7項之發明之光信號之光路切換方法，係具有：使來自1個以上之信號光光源之1種以上之波長之信號光，對齊各個光軸地射出；使來自2個以上控制光光源之與上述信號光不同之特定波長之控制光分別射出；在使上述信號光穿透，且包含有選擇性吸收上述控制光之光吸收層之熱透鏡形成光元件，使上述信號光和上述控制光之各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同，以收斂在上述光吸收層內之方式聚光地照射；使上述信號光穿透上述熱透鏡形成光元件；上述控制光在上述熱透鏡形成光元件內之上述光吸收層被光吸收，在上述光吸收層內之吸收上述控制光之區域及其周邊區域產生之溫度上升所伴隨的過渡性形成熱透鏡，在上述熱透鏡形成光元件內之上述光吸收層內產生折射率分佈，改變上述信號光之行進方向，用來進行光路切換；使無上述控制光照射之行進方向不變之直進信號光，和被上述控制光照射之經光路變換之信號光，分別利用由相同之光學手段構成之第1受光手段及第2受光手段分別進行收斂或聚光；且以設在第1受光手段和第2受光手段之間之楔型稜鏡，使無上述控制光照射之行進方向不變之直進信號光，和有上述控制光照射且經光路切換之信號光，在分光後的狀態下折射地通過；復具有：
(6)上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面對重力之方向被設置成為垂直，且射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向與重力之方向相同；
(7)在上述光吸收層內聚光之情況時，在上述光吸收層之射入面將上述控制光和上述信號光分別聚光使各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同，以此方式縮小投影；
(8)上述楔型稜鏡設有1個以上之楔面對應到經光路切換之上述信號光之各個之通過位置；
(9)上述楔型稜鏡對經光路切換之上述信號光之各個之通過位置，復設有1個以上之楔面，使經光路切換之上述信號光之光軸，對無上述控制光照射之行進方向不變之上述直進信號光之光軸，向接近方向折射；
(10)上述熱透鏡形成光元件被配置之位置是在未配置有上述楔型稜鏡之情況時，行進方向不變之上述直進信號光和經光路切換之上述信號光，被收斂或聚光在同一位置；
從上述(6)至(10)構成之群組中選擇1個以上。
本發明之光路切換裝置及光信號之光路切換方法具有下列之效果。
第1，可以以40毫瓦以下之低控制光功率進行信號光之光路切換。
第2，可以以10毫秒以下之速度進行信號光之光路切換。
第3，可以使直進信號光及鄰接之光路切換信號光之各個之間之串擾成為-30dB以下。
在利用光纖檢測經光路變更之信號光時，因為可以大致垂直地射入到光纖，所以光纖之耦合效率可以變大。
因為使用楔形稜鏡對經光路變更之信號光能進一步改變行進方向，所以可以適當地設定檢測之複數之光纖之間隔。
以下根據附圖來說明本發明之較佳實施形態(實施例)。
[第1實施形態]
參照第1圖至第3圖說明本發明第1實施形態之光路切換裝置及光信號之光路切換方法
第1圖是本發明第1實施形態之光路切換裝置之概略構造例。如第1圖之概要所例示，本發明第1實施形態之光路切換裝置係構成包含有接近射出側端面之七芯捆光纖100、準直透鏡5、聚光透鏡6、熱透鏡形成光元件1、作為第1受光手段之受光透鏡7、作為第2受光手段之耦合透鏡8、楔型稜鏡之一例之六角錐台稜鏡9、受光側七芯捆光纖210等之主要光學零件及用來固定該等之基板及架台等(未圖示)。
例如，來自振盪波長1490nm之信號光光源(未圖示)之信號光，係經由空間或光纖耦合到接近射出側端面之七芯捆光纖100之中心光纖，且從接近射出側端面之七芯捆光纖100之端面101射出，作為信號光20射入到熱透鏡形成光元件1，在未被控制光照射之情況時作為直進信號光10射入到受光側七芯捆光纖210之中心光纖端面200。
例如，來自振盪波長980nm之2至6座控制光光源(未圖示)之控制光，經由空間或光纖耦合到接近射出側端面之七芯捆光纖100之6根周邊光纖之任一根，從其端面101射出。從端面101射出之信號光和控制光被準直透鏡5及聚光透鏡6之2個凸透鏡，聚光在熱透鏡形成光元件1。只要像差小可以成像的話，即使不使用2個凸透鏡亦可以使用1個。在接近射出側端面之七芯捆光纖100之光纖芯子中心間距離L為40μm之情況時，利用準直透鏡5及聚光透鏡6之2個凸透鏡來形成縮小光學系。其理由是在熱透鏡形成光元件中，當信號光和控制光之間隔不在40μm以下時，會有因控制光之光吸收所形成之熱透鏡區域，對信號光射束之光路變更造成之影響被減輕，且控制光功率之利用效率降低(在同一控制光功率之情況時，光路變更角變小，在六角錐台稜鏡9之直進信號光和光路變更後之信號光之隔離不良)等之缺點。
例如，以準直透鏡5和聚光透鏡6之2個凸透鏡而言，使用焦點距離2mm，NAO.5之非球面透鏡，透過調整屬於光學零件之接近射出側端面之七芯捆光纖100、準直透鏡5、聚光透鏡6、及熱透鏡形成光元件1之間隔，使上述40μm之光軸間距離縮小至例如35μm、30μm、25μm，可以射入到色素溶液(光吸收層)3。當然，若能將接近射出側端面之七芯捆光纖100之光纖芯子中心間距離L做成充分地小，則不一定要有縮小光學系。以準直透鏡5和聚光透鏡6而言，雖使用焦點距離2mm之非球面透鏡，但當然亦可以不使用焦點距離為2mm之非球面透鏡。
作為受光透鏡7及耦合透鏡8者，使用與準直透鏡5和聚光透鏡6相同之焦點距離2mm，NAO.5之非球面透鏡。當然亦可以不使用焦點距離為2mm之非球面透鏡。例如，可以使用焦點距離為2至8mm之凸透鏡，另外，亦可以變更受光透鏡和7和耦合透鏡8之焦點距離。
在使用焦點距離較長之透鏡，使用與1490nm和1310nm不同波長之光作為信號光之情況時，會產生色像差。當焦點距離為2mm以下時，色像差之影響不會顯著地產生。因此，在受光透鏡和7及耦合透鏡8之焦點距離為8mm之情況時，使用消色透鏡。
表示本發明所使用之端面靠近之多芯光纖100之概略構造之剖示圖以第3圖表示。端面靠近之多芯光纖100之構成是，例如，將芯子31直徑為10μm、包層32外徑為125μm之單模光纖之包層以氟化氫予以蝕刻，捆束7根將包層外徑做成40μm者，與環氧接著劑33一起插入到陶瓷製套圈34之孔，並在使接著劑器硬化後，研磨端面101，而7根光纖之另外一端未被捆束。端面靠近之多芯光纖100之中心光纖之未緊束終端連接到信號光之光源，6根周邊光纖之未緊束終端分別連接到各個控制光之光源。以下將中心光纖稱為「No.0」，將周邊光纖稱為「No.1」至「No.6」。
將設置在受光透鏡7和耦合透鏡8之間之六角錐台稜鏡9之形狀例示於第2圖。在此，於第2圖之上段表示俯視圖，另一方面，第2圖之下段表示對應之側視圖。以尺寸之例而言，作為受光透鏡7當使用焦點距離為2mm之透鏡時，在第2圖中，頂部平面90之長度d為0.44mm、底部平面之長度D為8.6mm、厚度t為3.0mm、折射率約為1.5之玻璃，楔之角度θ為，例如，7.1度或14.0度。頂部平面90之長度d為0.44mm之理由是未照射穿透熱透鏡之控制光之情況時之直進信號光10，係設成為大致通過頂部平面90之大小。例如，當將受光透鏡7和耦合透鏡8之焦點距離設為2mm、耦合倍率設為1倍，射出側端面靠近之七芯捆光纖100之NA為0.1時，光束直徑成為大約0.4mm。因為雷射光為高斯分佈所以取其餘裕而將d設為0.44mm。因為利用準直透鏡5和聚光透鏡6之2個凸透鏡形成縮小光學系，所以要提高在受光側七芯捆光纖210之各個光纖之信號光之耦合效率時，利用受光透鏡7和耦合透鏡8形成擴大光學系。因此，從受光透鏡7射出之直進信號光和光路被變更之信號光，因為不成為完全之平行光，所以d之值與0.4mm會有稍微差異。但是，因為擴大率沒有那麼大，所以可以做成近似平行光，且將受光透鏡7和六角錐台稜鏡9之間隔設成為必要之最小限度，藉此不需要將d之值大幅改變。另外，在改變受光透鏡7和耦合透鏡8之焦點距離之情況時，需要改變頂部平面90之長度d。d之長度與所使用之透鏡之焦點距離成正比例。
該六角錐台稜鏡9係用以使經熱透鏡形成光元件1改變了行進方向之信號光，再度改變行進方向，並擴大受光側七芯捆光纖之位置之直進信號光和經光路變更之信號光之射束點之中心間距離(以下稱為距離Dx)。當將楔之傾斜角設為第2圖所示之θ時，於折射率約1.5之情況通過楔之光，在楔厚度較大之方向，從未插入楔之情況之射出方向約傾斜θ/2的角度而射出。
例如在θ=7.1度，受光透鏡7和耦合透鏡8之焦點距離為2mm，耦合倍率為1倍之情況時，距離Dx為約125μm(Dx≒2000＊2π＊7.1/2/360)。距離Dx與所使用之透鏡之焦點距離成正比，且與楔的傾角θ成正比。利用該等之數值之組合，可將Dx例如擴大為250μm、300μm。
在以上之說明中，雖列舉七芯捆光纖作為受光側檢測器之一例，但是在檢測位置之直進信號光和經光路變更之信號光之射束點之中心間距離較大之情況時，例如400μm以上之情況時，亦可不使用七芯捆光纖，而將7根單模光纖以可以最佳地檢測分別對應之信號光之方式，進行位置調整，而接著地使用。例如，在檢測位置之直進信號光和光路變更之信號光之射束點之中心間距離為425μm之情況時，將該光纖之被覆剝離，使中心光纖通過內徑150μm至180μm，外形300μm之鎳管和進行固定，在其周圍接著周邊之6根光纖。在檢測位置之直進信號光和經光路變更之信號光之射束點之中心間距離為更大之情況時，可以使鎳管之外形變大用來對應。
(元件技術S1)　熱透鏡效應之大小
(S1-1)　控制光之功率密度(控制光之功率、聚光條件、光學系之損失、色素溶液之溶劑沸點)
(S1-2)　熱透鏡形成光元件1之性能(色素之濃度和吸光度、色素溶液之黏度和其溫度特性、色素溶液之液膜厚度、控制光之聚光點位置、溶液單元之形狀等)
(S1-3)　射入到熱透鏡形成光元件1之光吸收層(色素溶液)之位置之信號光光軸和控制光光軸之位置關係和光軸間距離
(S1-4)　熱透鏡形成光元件1之設置方位和重力方向之關係及對熱透鏡形成光元件1之信號光和控制光之射入方向和重力方向之關係
(元件技術S2)　對熱透鏡形成光元件1射入信號光和控制光之光學系之設計：
(S2-1)　縮小投影光學系之採用
(S2-2)　光吸收層之厚度方向之信號光和控制光之收斂位置
(元件技術S3)　從熱透鏡形成光元件1射出之直進信號光10和光路變更信號光11至16之受光光學系之設計：
(S3-1)　受光透鏡7和耦合透鏡8之焦點距離之選定和組合
(S3-2)　六角錐台型稜鏡9之楔(wedge)部分之角度θ之設定
(S3-3)　受光透鏡7、六角錐台型稜鏡9、耦合透鏡8、及受光側七芯捆光纖之端面之元件間距離
(元件技術S4)　回應速度
以下說明該等之設計要素和操作條件之限制之較佳實施形態。
[元件技術S1]　熱透鏡效應之最佳化
作為熱透鏡形成光元件1者使用，例如，在由厚度500μm之石英製2片圓板和厚度500μm之石英製間隔物構成之直徑8至10mm之硬幣型之溶液單元2，將吸收極大波長為950至1050nm且在信號光之波長帶，例如在1310至1600nm之波長帶沒有光吸收之有機色素，溶解在沸點範圍為290至300℃之有機溶劑，並在液厚為500μm之情況時，充填將980nm之吸光度濃度調整成為5.0以上之色素溶液3，使用環氧接著劑密閉注入孔。當然，色素溶液3係作為色素吸收層而發揮作用。
作為上述有機色素者可適宜使用以YAG雷射作為光源之紅外線加工用之紅外線吸收色素而市售之染料。雖會因色素之著色力而不同，但在液厚為500μm之情況時，要達成上述之光學濃度時，只要將溶液中之色素之濃度設定在0.1至0.5重量%左右即可。在以此種溶解性具有上述之光吸收特性，且使溶解到下述之溶劑之溶液狀態下，只要是即使長時間照射吸收波長帶之雷射，或瞬間升溫至300℃附近亦不會分解之有機色素，其化學構造上並沒有特別之限制。以色素之光劣化之機制而言，已知者是在大氣中之基態下，使三重態之氧分子接受色素所吸收之光能量，成為活性激發一重態之氧分子使色素氧化。要防止此種問題時，只要在進行除去色素溶液中之溶解氧之精製處理後，密閉溶液單元2即可。
另外，以上述有機溶劑而言，建議使用下列所示之構造異構體4成分(分子量相同)之混合溶劑。
‧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
此構造異構體4成分混合溶劑，作為沸點接近300℃之有機溶劑其黏度和黏度之溫度相關性極小，適於作為熱透鏡形成光元件用溶劑。但是，具有由於空氣中之氧而容易氧化劣化之缺點。對於此點在進行去除溶解氧之精製處理後，對溶液單元2進行密閉即可萬全地對應。
控制光之功率之上限受使用有上述之溶劑之色素溶液之沸點左右。亦即，在控制光之功率做成較大之情況時，當熱透鏡形成區域之最高溫度達到上述溶劑之沸點時，會產生氣泡妨礙信號光之穿透。另外，即使在未完全沸騰之前，於沸點附近會產生微細之氣泡，使信號光射束散射，造成射束直徑之增大。因此，要最有效利用熱透鏡形成光元件之熱透鏡效應時，最好以比開始上述沸騰之功率小5至10%之功率作為上限，使控制光射入到熱透鏡形成光元件。另外，當考慮到由於控制光光源之溫度變化等引起之振盪輸出之變動幅度時，在比開始上述沸騰之功率小5%之情況時，會有由於輸出變動使控制光輸出到達發生上述沸騰之功率之問題。因此，要最有效利用熱透鏡形成光元件之熱透鏡效應時，更好是以比開始上述沸騰之功率小8至10%之功率作為上限，使控制光射入到熱透鏡形成光元件。
控制光功率之較好之具體值，係依照使控制光及信號光收斂射入到熱透鏡形成光元件1之聚光光學系，亦即例如第1圖之由準直透鏡5及6構成之縮小光學系之設計條件變化。例如，在以受光側七芯捆光纖210受光之情況時，透鏡5及6為焦點距離2mm之非球面凸透鏡，在設定為射束之收斂嚴密進行至接近繞射極限之情況時，控制光功率之絕對值被設定在約20至50mW。若超過50mW時會有發生色素溶液之沸騰之情況。為著避免色素溶液之沸騰，且在本實施形態所記載之最佳條件中，以受光側之對光纖之60%以上之耦合效率，以-30dB以下之鄰接通道間之串擾，使信號光可以在7個方向變換。另外，射入到熱透鏡形成光元件1之控制光之功率基本上與透鏡5及6之焦點距離無關。
為著減小在光學零件之表面之由於反射造成之控制光及信號光之損失，建議在所使用之透鏡、熱透鏡形成光元件、六角錐台型稜鏡等之表面，及射出側端面靠近之七芯捆光纖及受光側之七芯捆光纖之端面進行無反射覆膜。無反射覆膜可以使用習知之任意之素材。
對於射入到熱透鏡形成光元件1之光吸收層(色素溶液)之位置之信號光光軸和控制光光軸之位置關係與光軸間距離，在上述光吸收層使上述控制光和上述信號光之各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同，最好收斂地射入到上述光吸收層內，上述光軸間距離，具體而言，藉由使射出側端面靠近之七芯捆光纖射出時之信號光和控制光之光軸間距離例如由40μm，利用縮小光學系使其縮小至射入到熱透鏡形成光元件1之光吸收層(色素溶液)之位置之光軸間距離為20至25μm，而可以最大限度地活用熱透鏡效應。當上述光軸間距離比20μm短時，經光路變更之信號光之射束剖視形狀會崩潰，造成射入到受光側光纖之射入效率劣化。
第6圖之例表示上述光吸收層之光軸間距離(聚光點之信號光和控制光之於光軸之直角方向之距離)和光路變更量(光路變更角)之關係。顯示光軸間距離越短，光路變更角越大。當光路變更角變大時，直進信號光和經光路變更之信號光之隔離越良好，檢測到之信號(資訊)之串擾變小。
熱透鏡形成光元件1之光吸收層(色素溶液)之吸收控制光之部分以「溫度上升→熱膨脹→密度降低=折射率降低」之機制形成熱透鏡。在重力圈內，液體中之低密度部分產生熱對流，朝與重力相反之方向，亦即朝上方上升。因此，熱透鏡區域之形狀穩定化，且在最大限度地活用熱透鏡效應時，熱透鏡形成光元件1之設置方位和重力方向之關係，及對熱透鏡形成光元件1之信號光和控制光之射入方向和重力方向之關係，可以設定成如下所述。亦即，將上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面設置成對重力之方向垂直，且使射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向和重力方向成為相同。如此藉由設定裝置及操作方法，形成在熱透鏡形成光元件1之光吸收層(色素溶液)中之熱透鏡區域，成為留在為了妨礙在溶液單元產生對流而所形成之位置，而可將照射之控制光功率以極有效地利用作為熱透鏡效應。另外，即使將複數個控制光對信號光射束照射在不同之位置，對所形成之熱透鏡之形狀及信號光造成之效果也可以做成為均一。為了與本實施形態做比較，以裝置及操作方法之設定而言，有下述之設定：即第1，將上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面設置成對重力之方向平行，且將射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向為與重力之方向正交。對於此點將於後述之比較實施例1說明。第2，將上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面設置成對重力之方向垂直，且將射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向設定成為與重力之方向相反。對於此點將於後述之比較實施例2說明。任一情況當與本實施形態之情況比較時，熱透鏡效應之利用效率差，而且出現不好之現象是，與控制光之照射位置相關，光路變更之程度產生變化，熱透鏡效應隨著時間變動，經光路變更之信號光射束位置產生變化。
[元件技術2]　對熱透鏡形成光元件1射入信號光和控制光之光學系之設計最佳化：
如先前所述，從射出側端面靠近之七芯捆光纖100之中心光纖射出之信號光及從周邊光纖射出之控制光之光軸間距離，例如，在40μm之情況時，藉由使該等光通過由準直透鏡5及聚光透鏡6構成之縮小投影光學系，使射入到熱透鏡形成光元件1之光吸收層(色素溶液)之上述控制光和上述信號光的各個收斂點對光軸以在垂直方向成為不同之方式分別收歛射入到上述光吸收層，而將上述信號光和上述控制光之光軸間距離縮小至20至30μm，藉此可以以最大限度活用熱透鏡效應。作為準直透鏡5及聚光透鏡6者可以使用焦點距離相同之凸透鏡之2片之組合。例如，將焦點距離2mm，N.A.0.5之2片非球面凸透鏡予以組合，即可作為準直透鏡5和聚光透鏡6使用，且可以設計設定作為縮小光學系。
在上述光吸收層之厚度方向會因使上述信號光和上述控制光收斂之位置，而會光路切換之信號光之形狀成為不同。第5A圖、第5B圖及第5C圖係用來說明信號光由於控制光照射而使光路變更之狀況。另外，第5D圖是第5B圖之2點鏈線所包圍之部分之擴大圖。另外，為著說明之簡化，在第5A圖、第5B圖及第5C圖中由於光吸收層3和光吸收層之周圍之溶液單元2之折射率之不同所造成之光之折射係設成予以忽略。在第5A圖、第5B圖及第5C圖中，在熱透鏡形成光元件之光吸收層3，顯示有收斂(聚光)點附近之控制光之光強度分布81、和離開收斂(聚光)點之處的控制光之光強度分布82、並顯示控制光之收斂(聚光)點83、未照射有控制光之情況時之信號光的收斂(聚光)點85、照射有控制光之情況時之信號光的收斂(聚光)點86、及表觀上之信號光之收斂(聚光)點84。第5A圖是示意性顯示控制光和信號光收斂(聚光)在光吸收層3之射入面之情況時，第5B圖是示意性顯示控制光和信號光從光吸收層3之射入面深入到數十μm光吸收層中處收斂(聚光)之情況時，第5C圖是示意性顯示控制光和信號光從光吸收層3之射入面更深入數十μm至光吸收層中處收斂(聚光)之情況時的雷射光之光路。
在未被照射控制光之情況時，信號光進行直進。當被照射控制光時，信號光進行光路變更。穿透光吸收層3之信號光係從第5A圖至5D所示之光吸收層3之表觀上之信號光的收斂(聚光)點84以射出信號光的方式，收斂(聚光)在第1圖所示之檢測器201`至206。如第5A圖所示，未照射有控制光之情況時之信號光的收斂(聚光)點85，和照射有控制光之情況時之信號光的收斂(聚光)點86一致，表觀上之信號光之收斂(聚光)點84離開。信號光收斂(聚光)地射入到熱透鏡形成光元件。圖面中雖未表示，然信號光之越接近控制光之部分受到控制光之影響越強，彎曲越大，越離開控制光之信號光之部分彎曲越小。在第5A圖所示之情況時，在射入面射束直徑最小，然後變大。因此，在第5A圖所示之情況，信號光之接近控制光之部分係一成不變地恆經常受到控制光之大影響。因此，此種情況之收斂(聚光)之信號光之射束剖面之形狀不成圓形而是成為彎月形。控制光和信號光之位置關係如第5A圖所示，使光吸收層3之位置移動到控制光和信號光之射入側，在控制光和信號光進入到光吸收層3之內部之位置收斂(聚光)之第5B圖之情況時，可以使未照射控制光之情況時之信號光之收斂(聚光)點85和表觀上之信號光之收斂(聚光)點84之位置大致一致。將此種情況擴大看時，如第5D圖所示，收斂(聚光)點84和85一致，該86稍微離開。在第5B圖所示之情況，信號光之接近控制光之部分在收斂(聚光)點86交替，使控制光之影響成為均等。因此，可推測為收斂(聚光)之信號光之射束剖面之形狀為圓形，大致不會有畸變。從此種狀態使控制光和信號光收斂(聚光)在更進入光吸收層3之深部之位置之第5C圖之情況時，表觀上之收斂(聚光)點84和被控制光照射之情況時之信號光之收斂(聚光)點86大致一致。控制光被熱透鏡形成光元件吸收，所以射入到熱透鏡形成光元件達至200至300μm時，光量變弱，熱透鏡之作用變無。在第5C圖所示之情況，在控制光大致沒有影響之位置進行聚光之例中，在收斂(聚光)點86之後，射束變成沒有彎曲。但是，迄收斂(聚光)點86為止，與第5A圖所示之情況相反地，在相反側之信號光部分恆常受到控制光之強力影響使彎曲變大，信號光之射束剖面形狀可推測為不是圓形。
在本實施形態中，為著將經光路變更之信號光之射束剖面保持為圓射束，以成為第5B圖之狀態之方式，調整熱透鏡形成光元件1亦即光吸收層3之位置。在此種情況時，未被上述控制光照射未被改變行進方向之直進信號光、和被上述控制光照射之經光路變更之信號光，在未設置有六角錐台稜鏡之情況時，在檢測器之受光位置收斂(聚光)在同一點。亦即，在以信號光之射束剖面形狀保持為有利於耦合效率之提高之圓射束下要進行光路切換之情況時，控制光未照射之情況時之信號光之收斂(聚光)點85和表觀上之信號光之收斂(聚光)點84之位置一致成為「不動」，故在該情形下不能將直進信號光和光路變更信號光分離而檢測。因此，在受光透鏡7和耦合透鏡8之間設置六角錐台稜鏡9作為新穎之裝置構造，使直進信號光直接直進，光路變更信號光之進路設成與直進信號光不同之角度，藉此使直進信號光和光路變更信號光在離開充分距離之不同位置，以高耦合效率可以利用光纖進行受光、檢測。結果，直進信號光和光路變更信號光之串擾可以顯著地降低。另外，例如，當採用第5A圖之配置時即使不使用楔型稜鏡亦可以使直進信號光和光路切換光之射束位置大幅地變化，但是由於經光路變更之信號光射束剖面形狀從高斯分佈之圓射束大幅偏離，故以光纖受光、檢測時之耦合效率顯著劣化，信號光之衰減變大，在實用上不適當。
[元件技術S3]從熱透鏡形成光元件1射出之直進信號光10及光路變更信號光11至16之受光光學系之設計量之最佳化：
以第1設計設定項目而言，設定有：受光從熱透鏡形成光元件1射出之直進信號光(沒有控制光照射之情況時)10和光路變更信號光(對應控制光21至26之照射)11至16之受光透鏡7(第1受光手段)、及用以使直進信號光10和光路變更信號光11至16耦合到受光側七芯捆光纖210之光纖端面之芯子之耦合透鏡8(第2受光手段)。在此，以信號光之波長而言，於作為光纖到家(fiber to the home)之下傳信號所用之波長1490nm附近和作為上傳信號所用之波長1310nm，因為受到透鏡之折射率波長相關性之影響，所以在未使用消色透鏡之情況時，若以一方之波長調整光學系時，則另外一方之波長之光纖耦合效率會降低為其問題。如表1所示，將受光透鏡7和耦合透鏡8之焦點距離設為相同，將焦點距離設為8mm、2.75mm、2.0mm之情況時，在2.75mm以下之短焦點距離之情況時，得知為對光纖之耦合效率之波長相關性極小。從表1可以明白，在焦點距離8mm之透鏡之情況時，相對於以1550nm光進行光學系調整並以1550nm光測定到之對光纖之耦合效率，以1550nm光進行光學系調整並以1310nm光測定到之耦合效率較小。同樣地，相對於以1310nm光進行光學系調整並以1310nm光測定到之對光纖之耦合效率，以1310nm光進行光學系調整並以1550nm光測定到之耦合效率較小。受光透鏡7和耦合透鏡8之焦點距離之最小值實用上為1.0 mm。當焦點距離比此小時，受到透鏡之動作距離之限制，會造成透鏡7或8與六角錐台稜鏡9接觸。綜合以上所述，當第1受光手段/受光透鏡7和第2受光手段/受光透鏡8為焦點距離1.0mm至3.0mm之球面或非球面凸透鏡時，即使不使用消色透鏡亦可以不受到信號光之波長差之影響。
從熱透鏡形成光元件射出之信號光被受光透鏡7和耦合透鏡8聚光在受光側之七芯捆光纖。因為利用準直透鏡5和聚光透鏡6之2個凸透鏡形成縮小光學系，所以要提高受光側之七芯捆光纖之信號光之檢測效率時，以在受光透鏡7和耦合透鏡8予以擴大聚光之方法為佳。例如，在以準直透鏡5和聚光透鏡6縮小至0.8倍之情況時，在受光透鏡7和耦合透鏡8以擴大至1.25倍之方法為佳。
在表1中，焦點距離8mm之透鏡其全體之耦合效率較小之理由是受光透鏡7和耦合透鏡8之放大率不能最佳化之緣故。
為使照射有從六角錐台稜鏡9射出之上述控制光並經光路切換之信號光垂直地射入到屬於檢測器200至206之單模光纖端面，需要將耦合透鏡8和六角錐台稜鏡9之間隔設成令信號光通過耦合透鏡8之射入側焦點附近。因此，受光透鏡7和耦合透鏡8之間隔不可太小。例如，在將受光透鏡7和耦合透鏡8之焦點距離設為2mm、六角錐台稜鏡9之楔角度設為7.1度、準直透鏡5和聚光透鏡6之縮小率設為0.8之情況時，受光透鏡7和耦合透鏡8之間隔為10至25mm。
以第2設計設定項目而言，有插入在受光透鏡7和耦合透鏡8之間之楔。在使用七芯捆光纖之情況時，可較宜使用將必要之6個楔一體化，且為第2圖所示之六角錐台稜鏡9。在此，係使直進信號光10射入到六角錐台稜鏡9之頂部平面90，且從底面97射出。另一方面，使經光路變更之信號光11至16通過頂部平面90附近之楔面91至96並折射，將直進信號光和經光路變更之信號光之光軸間距離予以放大，在成像位置以使經光路變更之信號光之射束點相互間及與直進信號光之射束點互不相重疊的方式予以設定，藉此可以用來減小直進信號光和光路變更信號光之串擾及光路變更信號光之彼此鄰接者間之串擾。
如前所述，因為以準直透鏡5及聚光透鏡6之2個凸透鏡作為縮小光學系，所以要提高受光側七芯捆光纖之信號光之檢測效率時，需要在受光透鏡7和耦合透鏡8擴大聚光。例如，在準直透鏡5及聚光透鏡6為縮小至0.8倍之情況時，於受光透鏡7和耦合透鏡8以使用擴大至1.25倍者為宜。當使用焦點距離為2mm之受光透鏡7和耦合透鏡8，並將受光透鏡7和耦合透鏡8間距離以20mm擴大成1.25倍時，通過受光透鏡7之光成為大約0.3度聚光之狀態。因此，在使距離Dx成為125μm之情況時，需要使該0.3度分楔之角度變小成為θ≒6.5度。或是需要以楔之角度為θ=7.1度使距離Dx變小成為大約115μm。
當使擴大率變大從平行光大幅偏移時，會在通過六角錐台稜鏡9之楔部分之信號光產生像差。但是，假如改變受光透鏡7之焦點距離和耦合透鏡8之焦點距離使進行擴大時，因為可以以平行光通過六角錐台稜鏡9，所以不容易產生像差。例如，在擴大為1.25倍之情況時，只要將受光透鏡7之焦點距離設為1.6mm，耦合透鏡8之焦點距離設為2mm即可。
未被控制光照射在熱透鏡形成光元件1直進之信號光因被設置成通過頂部平面部，所以不進行光路變更地直進。另外，設置六角錐台稜鏡9使通過六角錐台稜鏡9之楔部分之經光路變更之信號光，係改變行進方向到與未被控制光照射之直進之信號光交叉之方向。
如第1圖所示，六角錐台稜鏡9和耦合透鏡8之間隔係設定成為透過六角錐台稜鏡9之信號光，在透過耦合透鏡8之後，垂直射入到屬於受光側之七芯捆光纖200至206之單模光纖的端面。要垂直射入到受光側之七芯捆光纖時，只要使被楔變更光路之信號光通過耦合透鏡8之射入側焦點即可。藉由設定成垂直射入到光纖端面之方式，可以使信號光對檢測器的光纖之射入效率成為最大。屬於檢測器200至檢測器206之單模光纖設置成與光軸大致平行。
另外，即使稜鏡不為六角錐台形狀，而是做成從中心之厚度較小之平坦板沖切成六角錐台之形狀，亦可將受光側之七芯捆光纖之位置之直進信號光和經光路變更之信號光之射束點中心間距離Dx予以擴大，但是不能設定成使上述方式之信號光垂直射入到屬於受光側之七芯捆光纖200至206之單模光纖之端面。
在第1圖中是使六角錐台稜鏡9之頂部平面成為射入面，使底部平面成為射出面，但是亦可以相反地使頂部平面成為射出面，將底部平面設置為射入面。
以第3設計設定項目而言，是六角錐台稜鏡9之楔(wedge)角θ之設定，和受光側之七芯捆光纖之周邊光纖之中心間距離。
檢測器之位置之直進信號光和經光路變更之信號光之光軸間距離Rout，可以依照六角錐台稜鏡9之傾角θ和耦合透鏡8之焦點距離f，以下列之方式計算。
[數1]
Rout=f＊tan(ωout )　‧‧‧　(1)
在此，將六角錐台稜鏡9之射出角度(以垂直於六角錐台稜鏡9之頂部平面之垂線之角度，與垂線交叉之情況時為正號)設為ωout 。ωout 可由下式求得。
[數2]
ωout ≒2＊(n1 /n0 -1)＊(θ/2)+ωin 　‧‧‧　(2)
在此，n1 為六角錐台稜鏡9之折射率、n0 為放置六角錐台稜鏡9之媒質(在此為空中)之折射率、θ為六角錐台稜鏡9之傾角。ωin 為對六角錐台稜鏡9之射入角度(以垂直於六角錐台稜鏡9之頂部平面之垂線之角度，與垂線交叉之情況時為正號，偏離垂線之情況時為負號)。
因為耦合透鏡8之焦點距離為2mm，六角錐台稜鏡9之傾角θ為7.1度，n1 =1.5，n0 =1.0，直進信號光和經光路變更之信號光大致平行，所以當設ωin =0時，檢測器之位置之直進信號光和經光路變更之信號光之光軸間距離Rout=125μm。
穿透六角錐台稜鏡9之信號光，在穿透耦合透鏡8之後垂直射入到屬於檢測器之單模光纖端面的耦合透鏡8和六角錐台稜鏡9之間隔X可以利用以下之方式計算。
當對六角錐台稜鏡9之射入位置偏離光軸r1 時，對耦合透鏡8之射入位置r2 大致具有下列所示之關係。
[數3]
r2 ≒r1 -tan(θ/2)＊X　‧‧‧　(3)
通過耦合透鏡8之信號光之收斂(聚光)點之偏離光軸之距離為r3 ，在耦合透鏡8之焦點距離為f時，成為
[數4]
r3 =-f＊tan(θ/2)　‧‧‧　(4)
當使檢測器之位置偏離光軸為r3 ，考慮到對光纖之射入效率時，成為
[數5]
r2 =r3
利用(3)和(4)式，成為
[數6]
-f＊tan(θ/2)≒r1 -tan(θ/2)＊X
∴X=f+r1 /tan(θ/2)　‧‧‧　(5)
亦即，信號光對檢測器的光纖之射入效率成為最大時，耦合透鏡8和六角錐台稜鏡9之間隔X成為在收斂(聚光)於檢測器的光纖之耦合透鏡8之焦點距離為f，加上以六角錐台稜鏡9之傾角之tan除對六角錐台稜鏡9之射入光之偏離光軸之距離r1 之值作為正值。當耦合透鏡8之焦點距離為2mm，六角錐台稜鏡9之傾角為7.1度時，耦合透鏡8和六角錐台稜鏡9之間隔X為大約9mm。
以上之計算是屬於檢測器200至檢測器206之單模光纖設置成與光軸大致平行之情況時，但是在屬於檢測器200至檢測器206之單模光纖與光軸不平行之情況時，需要校正與光軸之傾斜度。
第8圖表示控制光和信號光之光軸距離為25μm，射入到熱透鏡形成光元件之光吸收層，從熱透鏡形成光元件射出之直進及光路切換信號光射束，在通過楔角7度之六角錐台稜鏡之後，射入到射束剖面器(beam profiler)之受光面時之直進及光路切換信號光射束剖面。得知為以大致圓射束之狀態光路切換到7個方向。
[元件技術S4]　光路切換速度
第9圖所描繪之圖形是在本實施形態之最佳狀態中，使控制光21至26之任1個，例如使控制光21以工作比1：1明滅的頻率從50Hz變化至2000Hz時之直進光和光路變更光之信號光強度，除以控制光繼續息燈或息燈時之信號光強度之值(將此稱為「振幅」)。例如，當使控制光21以頻率50Hz，週期20毫秒點燈‧息燈時，直進光及光路變更光之強度，與控制光繼續息燈或息燈時之信號光強度相同，振幅為1.0，依照控制光之點燈或息燈，直進光及光路變更光之強度，從振幅0.0至1.0或從該1.0至0.0之一半之值，以10毫秒進行變化。亦即，使頻率之倒數(週期)除以2之值可以稱為與控制光之點燈或息燈對應之信號光之光路切換之「回應時間」。直進光及光路變更光之回應時間大多利用光學系之調整使直進光或光路變更光之任一方變快。在第9圖之情況光路變更光之一方變快，達到振幅1.0。在第9圖之情況時，信號光之振幅達到大致1所需要之回應時間，在直進光之情況約5毫秒，在光路變更光之情況時為2.5毫秒。通常之電開關等之回應時間是信號之強度達到1/√2，亦即振幅之0.707所需要之時間。第9圖之情況時，使光路變更時間達到振幅約0.7定義成為回應時間，對直進光約為2.5毫秒，對光路變更光約為0.9毫秒。
[元件技術之統合]　作為光路切換裝置之綜合性能
以上之實施形態是進行光學系之調整使光路切換回應時間最佳化之情況。回應速度以外之重要之光路切換特性是1對7型光路切換之通道間之串擾及對受光側光纖之耦合效率亦即作為光路切換裝置之插入損失。
在使該等之諸特性良好平衡調整之情況時，在最佳之實施形態中同時達成之特性值大致如下所述。
‧光路切換之回應時間：10毫秒以內。
‧直進信號光和6個光路切換光之互相串擾：-30dB以內。
‧光路切換裝置之插入損失：2.5dB以內。
[比較實施例1]
用來與本發明之第1實施形態比較之裝置及操作方法之設定是將上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面設置成對重力之方向平行，且使射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向和重力之方向正交。射出側端面靠近之七芯捆光纖100之周邊光纖No.1至6之配置，和受光側七芯捆光纖之周邊光纖之周邊光纖No.1至6之配置成為旋轉180度地對應，但是將射出側端面靠近之七芯捆光纖100之周邊光纖No.1及2配置在下方，將其No.4及5配置在上方。裝置之光學零件之主要規格相同。從熱透鏡形成光元件1射出之直進信號光10及光路切換信號光11至16在射束剖面器(未圖示)之受光透鏡7之位置之直進和光路切換信號光射束位置之實測值以第7圖表示。在第7圖中，黑圓記號為第1實施形態之實測值，四角記號為本比較實施例之實測值。在本比較實施例1之情況時，經光路變更之信號光之位置並未排列為美觀之正六角形配置，而是成為上下被壓縮之扁平六角形配置。這是因為配置成使熱透鏡形成光元件與重力平行，使控制光與重力正交，所以在熱透鏡形成光元件之光吸收層所形成之低密度熱透鏡區域在溶液單元內「浮上」到上方，結果是當在熱透鏡中信號光之位置較控制光在上方之情況時，接受信號光之熱透鏡效應變大，(1)式中之ωin 具有負值，ωout 變小，結果是Rout變小。相反地在熱透鏡中使信號光之位置在較控制光下方之情況時，信號光接受之熱透鏡效應稍微變小。但是，並不像在熱透鏡中信號光之位置在較控制光上方之情況時那樣顯著之影響。另外，熱對流之影響在第7圖之「左右」方向幾乎沒有影響。
[比較實施例2]
用來與本發明之第1實施形態比較之裝置和操作方法之設定是將上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面設置成對重力之方向垂直，且使射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向與重力之方向為相反。除了此點之外，在第1實施形態中裝置之光學零件之主要規格相同。
進行比較實施例2之結果，當與第1實施形態比較時，比較實施例2之熱透鏡效應非常小，直進信號光之成像和光路變更信號光之成像之距離比第7圖之黑圓記號之情況小。另外，在經光路變更之信號光之成像位置可見到「搖動」。其原因是在熱透鏡形成光元件之光吸收層之下方形成之低密度之熱透鏡區域在厚度500μm之液中，逐漸上升，作為控制光供給之能量不能有效地被利用作為用以變更信號光之光路之熱透鏡。另外，推測熱對流之搖動對信號光之光路變更會造成不良之影響。
[第2實施形態]
第4圖是本發明第2實施形態之光路切換裝置之概略構造例。
本實施形態是取代第1實施形態之射出側端面靠近之七芯捆光纖100，使用二色平面鏡55，將經平行校正之信號光20和經平行校正之控制光27之光軸間距離做成為20至25μm，而使收斂射入到熱透鏡形成光元件1之光吸收層，又取代受光側之七芯捆光纖210，使用直進信號光受光光纖220及光路變更信號光受光光纖221，其他之部分與第1實施形態之情況相同，使信號光及控制光照射在重力方向之下方，配置成1對2型光路切換裝置。除了信號光和控制光之合波(使光軸不一致)之方法不同外，發揮與第1實施例同樣之特長。
另外，上面已對本發明進行詳細之說明，但是本發明之範圍不限定為上述所記載者。
另外，在2010年3月3日所申請之日本專利特願2010-083747所揭示之專利說明書之發明之詳細說明、申請專利範圍、圖式及摘要之記載被組入到本案。
1．．．熱透鏡形成光元件
2．．．溶液單元
3．．．色素溶液(光吸收層)
4．．．熱透鏡區域
5．．．準直透鏡
6．．．聚光透鏡
7．．．受光透鏡
8．．．耦合透鏡
9．．．六角錐台型稜鏡
10．．．直進信號光
11至16．．．光路變更信號光
20．．．信號光
21至26．．．控制光
27．．．控制光
31．．．芯子
32．．．包層
33．．．接著劑
34．．．套圈
52．．．準直透鏡
55．．．二色平面鏡
81．．．熱透鏡形成光元件之收斂(聚光)點附近之控制光之光強度分布
82．．．偏離熱透鏡形成光元件之收斂(聚光)點之控制光之光強度分布
83．．．熱透鏡形成光元件之控制光之收斂(聚光)點
84．．．熱透鏡形成光元件之表觀上之信號光之收斂(聚光)點
85．．．熱透鏡形成光元件之控制光未照射之情況時之信號光之收斂(聚光)點
86．．．熱透鏡形成光元件之控制光照射之情況時之信號光之收斂(聚光)點
90．．．六角錐台型稜鏡之頂部平面
91至96．．．六角錐台型稜鏡之楔面
97．．．六角錐台之底部平面
100．．．接近射出側端面之七芯捆光纖
101．．．接近射出側端面之七芯捆光纖100之射出側端面
110．．．信號光光源
111．．．控制光光源
200．．．受光側七芯捆光纖之中心光纖端面
201至206．．．受光側七芯捆光纖之周邊光纖端面
210．．．受光側七芯捆光纖
220．．．直進信號光受光光纖
221．．．光路變更信號光受光光纖
第1圖是本發明第1實施形態之光路切換裝置之概念圖。
第2圖是使用在本發明第1實施形態之光路切換裝置之六角錐台稜鏡之概念圖。
第3圖是剖視圖，用來表示本發明所使用之端面靠近之多芯光纖之概略構造。
第4圖是本發明第2實施形態之光路切換裝置之概念圖。
第5A圖用來說明本發明之信號光利用控制光照射進行光路變更之狀況。
第5B圖用來說明本發明之信號光利用控制光照射進行光路變更之狀況。
第5C圖用來說明本發明之信號光利用控制光照射進行光路變更之狀況。
第5D圖是第5B圖之2點鏈線所包圍之部分之擴大圖。
第6圖之圖形是表示在本發明之光吸收層之光軸間距離(在聚光點之信號光和控制光之光軸之直角方向之距離)和光路變更量(光路變更角)之關係。
第7圖表示將控制光和信號光之光軸間距離設為30μm，射入到熱透鏡形成光元件之光吸收層，使從熱透鏡形成光元件射出之直進信號光10及光路切換信號光11至16射入到射束剖面器之受光面時之直進及光路切換信號光射束位置。
第8圖表示在本發明第1實施形態之光路切換裝置中，將控制光和信號光之光軸間距離設為25μm，射入到熱透鏡形成光元件之光吸收層，使從熱透鏡形成光元件射出之直進及光路切換信號光射束，射入射束外形之受光面時之直進及光路切換信號光射束剖面。
第9圖之圖形標示在本實施形態之最佳狀態，使控制光21至26之任一個，例如，使控制光21以工作比1：1明滅，以50Hz至2000Hz使頻率變化時，以控制光持續息燈或息燈時之信號光強度，除直進光和光路變更之信號光強度所得之值(將其稱為「振幅」)。
1．．．熱透鏡形成光元件
2．．．溶液單元
3．．．色素溶液(光吸收層)
4．．．熱透鏡區域
5．．．準直透鏡
6．．．聚光透鏡
7．．．受光透鏡
8．．．耦合透鏡
9．．．六角錐台型稜鏡
10．．．直進信號光
11至16．．．光路變更信號光
20．．．信號光
21至26．．．控制光
100．．．接近射出側端面之七芯捆光纖
101．．．接近射出側端面之七芯捆光纖100之射出側端面
200．．．受光側七芯捆光纖之中心光纖端面
201至206．．．受光側七芯捆光纖之周邊光纖端面
210．．．受光側七芯捆光纖

Claims (7)

  1. 一種光路切換裝置，係具有：信號光光源，用來照射1種以上之波長之信號光；2個以上之控制光光源，用來照射與上述信號光不同之特定波長之控制光；熱透鏡形成光元件，包含有光吸收層使上述信號光穿透，而選擇性地吸收上述控制光；以及聚光手段，在上述光吸收層使上述控制光和上述信號光之各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同，而收斂射入在上述光吸收層內；上述熱透鏡形成光元件藉由使上述控制光和上述信號光在光之行進方向收斂在上述光吸收層內後進行擴散，而在上述光吸收層內之吸收上述控制光之區域及在其周邊區域產生之溫度上升所引起的過渡性形成熱透鏡，利用該熱透鏡在上述光吸收層內產生折射率分佈，改變上述信號光之行進方向，而進行光路切換；再且，設置第1受光手段和第2受光手段，使無上述控制光照射之行進方向不變之直進信號光，和有上述控制光照射且經光路切換之信號光，由相同之上述第1受光手段和上述第2受光手段分別進行收斂或聚光；且在上述第1受光手段和上述第2受光手段之間設置楔型稜鏡，使無上述控制光照射之行進方向不變之直進信號光，和有上述控制光照射且經光路切換之信號光，經分光後之狀態下折射地通過；且復具有：(1)　上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面對重力之方向被設置成為垂直，且射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向與重力之方向相同；(2)　上述聚光手段構成縮小投影光學系，在上述光吸收層之射入面將上述控制光和上述信號光分別聚光使各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同；(3)　上述楔型稜鏡設有1個以上之楔面對應到經光路切換之上述信號光之各個之通過位置；(4)　上述楔型稜鏡對經光路切換之上述信號光之各個之通過位置，復設有1個以上之楔面，使經光路切換之上述信號光之光軸，對無上述控制光照射之行進方向不變之上述直進信號光之光軸，向接近方向折射；(5)　上述熱透鏡形成光元件被配置之位置是在未配置有上述楔型稜鏡之情況時，行進方向不變之上述直進信號光和經光路切換之上述信號光，由上述第1受光手段及上述第2受光手段收斂或聚光在同一位置；從上述(1)至(5)構成之群組中選擇1個以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光路切換裝置，其中，上述信號光及控制光從上述熱透鏡形成光元件之射入面之上方射入。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之光路切換裝置，其中，復具有端面靠近之多芯捆光纖，可以被利用第2受光手段收斂或聚光之行進方向不變之上述直進信號光和經光路切換之上述信號光分別射入。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述之光路切換裝置，其中復具有：中心光纖，以非緊束終端連接上述信號光光源；及接近端面之七芯捆光纖，使6根周邊光纖之非緊束終端連接到照射與上述信號光不同波長之控制光之2個至6個之上述控制光光源之各個。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之光路切換裝置，其中，上述楔形稜鏡為六角錐台型稜鏡；且無上述控制光照射之行進方向不變之上述直進信號光垂直地通過六角錐台型稜鏡之頂部平面，經光路切換之上述信號光通過六角錐台型稜鏡之6個楔面之任一個，分別從六角錐台型稜鏡射出。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之光路切換裝置，其中，第1受光手段和第2受光手段是焦點距離為1.0mm至3.0mm之球面或非球面凸透鏡。
  7. 一種光信號之光路切換方法，係具有：使來自1個以上信號光光源之1種以上之波長之信號光，對齊各個光軸地射出；使來自2個以上控制光光源之與上述信號光不同之特定波長之控制光分別射出；在使上述信號光穿透，且包含有選擇性吸收上述控制光之光吸收層之熱透鏡形成光元件，使上述信號光和上述控制光之各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同，以收斂在上述光吸收層內之方式聚光地照射；使上述信號光穿透上述熱透鏡形成光元件；上述控制光在上述熱透鏡形成光元件內之上述光吸收層被光吸收，在上述光吸收層內之吸收上述控制光之區域及其周邊區域產生之溫度上升所伴隨的過渡性形成熱透鏡，在上述熱透鏡形成光元件內之上述光吸收層內產生折射率分佈，改變上述信號光之行進方向，用來進行光路切換；使無上述控制光照射之行進方向不變之直進信號光，和有上述控制光照射之經光路切換之信號光，分別利用由相同之光學手段構成之第1受光手段及第2受光手段進行收斂或聚光；且以設在第1受光手段和第2受光手段之間之楔型稜鏡，使無上述控制光照射之行進方向不變之直進信號光，和有上述控制光照射且經光路切換之信號光，在分光後的狀態下折射地通過；復具有：(6)　上述熱透鏡形成光元件之上述信號光射入面對重力之方向被設置成為垂直，且射入到上述熱透鏡形成光元件之上述信號光及上述控制光之行進方向與重力之方向相同；(7)　在上述光吸收層內聚光之情況時，在上述光吸收層之射入面將上述控制光和上述信號光分別聚光使各個收斂點對光軸在垂直方向成為不同，以此方式縮小投影；(8)　上述楔型稜鏡設有1個以上之楔面對應到經光路切換之上述信號光之各個之通過位置；(9)　上述楔型稜鏡在對經光路切換之上述信號光之各個之通過位置，復設有1個以上之楔面，使經光路變換之上述信號光之光軸，對無上述控制光照射之行進方向不變之上述直進信號光之光軸，向接近方向折射；(10)　上述熱透鏡形成光元件被配置之位置是在未配置有上述楔型稜鏡之情況時，行進方向不變之上述直進信號光和經光路切換之上述信號光，被收斂或聚光在同一位置；從上述(6)至(10)構成之群組中選擇1個以上。
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