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、聚乙烯缩甲酫、聚乙烯醋酸酯、聚乙烯缩丁酫，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、聚氯酫、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、胍甲酫树 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(3.9X10-4)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。

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。

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          
a/ω＝2时          
a/ω＝3时          
a/ω＝4时          
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＝πωO2/λ                                       [3]
若将等式[2]代入等式[3]，则可得到等式[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。
$D_2=D_1\times \sqrt{2}---\left[7\right]$
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。