Éléments d'optique

Lorsque la lumière rencontre une interface entre deux milieux d’indices différents, on a une réfraction et une réflexion qui suivent la loi de Descartes pour les Français ou loi de Snell pour les roosbeefs.

On se rappellera que l'indice de réfraction (= le facteur caractérisant la réduction de la vitesse de la lumière dans le milieu considéré) varie généralement avec la longueur d'onde, ce qui permet de décomposer la lumière avec un prisme.

Pour éviter que ce soit trop simple, il peut aussi se produire des choses bizarres en fonction de la polarisation de la lumière mais aussi ces réflexions peuvent polariser la lumière, ainsi qu'introduire du déphasage.

On aime bien, en mécanique quantique, les lames semi-réfléchissantes (ou semi-transparentes, ça revient au même), c’est-à-dire un dispositif qui permet de diviser un rayon de lumière en deux : la moitié de la lumière est réfléchie, l’autre moitié est transmise.

Là où ça devient rigolo, c’est quand on réduit tellement l’intensité lumineuse qu’on se retrouve avec un seul photon : qu’est-ce qu’il va faire ?

Grosso-modo, il a une chance sur 2 d’être réfléchi, une chance sur 2 d’être transmis. Mais en réalité, c’est un poil plus compliqué.

Comment fait-on ces lames ?

Vaut mieux le savoir car on vient de voir qu’il existe une histoire de déphasage à la réflexion, et on se doute bien que ce n’est pas une simple lame de verre qui fera le boulot, avec en plus ses deux interfaces, en entrée et en sortie. Ça doit être plus subtil !

On se retrouve avec des interférences, en particulier à la réflexion à l’infini. En transmission, les rayons multiples n’ont guère de contribution. Mais en fait, pour avoir 50/50, on métallise un côté de la lame de verre. Donc il existe un «côté», il faut faire gaffe.

L'une des faces est recouverte d'un dépôt métallique très mince, dont l'épaisseur est inférieure à la distance de pénétration de la lumière dans le métal (heureusement, sinon le métal court-circuite le champ électrique, et "tue" l'onde).

En choisissant bien l'épaisseur de cette couche, on obtient une surface qui réfléchit 50% de l'intensité incidente et transmet l'autre moitié (ou toute autre proportion si on veut, mais le total fera 100, pas de lumière perdue ni générée, bien sûr). La face arrière de la lame reçoit un traitement antireflet pour minimiser les réflexions.

On n’oubliera pas le déphasage de 180° = π à la réflexion. Il existe également des propriétés de polarisation à l’angle de Brewster (le rayon réfléchi est totalement polarisé orthogonalement).

Pour certains dispositifs (interféromètre de Michelson) où la lumière revient une seconde fois, on ajoute une lame compensatrice devant le côté métallisé, pour rendre les choses symétriques.

Ce n'est pas aussi simple qu'on pourrait le penser ! Mais bon, pour nos raisonnements, il est suffisant de savoir que ça fait 50/50. Un photon sur deux transmis, sinon il est réfléchi.

C’est l’équivalent de la lame séparatrice en air libre, mais pour des fibres optiques. Il en existe 2 sortes :

• En Y, 1 vers 2 (assez évident à comprendre, et en fait, c'est le suivant avec une entrée non utilisée)
• En X (en étoile), 2 vers 2

On réalise ça avec des techniques photolithographiques sur un substrat adéquat et des guides d’ondes. On peut ajuster l’angle de séparation, et ainsi ajuster les puissances de séparation, par exemple 50/50 pour une séparation égale, ou 90/10. Et on peut faire des trucs tordus avec des miroirs dichroïques et les longueurs d’onde, vu que la propagation aura des caractéristiques différentes.

La plupart du temps, il suffira de voir ce coupleur comme :

• La fusion des deux entrées
• La séparation en deux signaux identiques 50/50 en sortie (comme la lame semi-réfléchissante), ou toute autre valeur de séparation comme 90/10.

Et les ondes peuvent interférer : dans ce cas les deux sorties ne sont pas symétriques, et on fera attention aux déphasages.

Le commutateur optique divise la puissance optique en 50/50, et évidemment, avec un seul photon, on parlera plutôt d’une probabilité d’aller d’un côté ou de l’autre avec la même espérance.

On voudra aussi avoir les moyens de faire une séparation temporelle: pendant 50% du temps (par exemple), les photons partent d’un côté, et de l’autre côté le reste du temps. C’est véritablement un aiguillage optique, et non une lame séparatrice. Ce sera utile pour séparer deux photons consécutifs.

Évidemment qu’on peut faire ça manuellement en branchant une fibre d’un côté ou de l’autre, mais ça ne va pas le faire pour nos temps courts où on voudra piloter précisément les aiguillages. Donc on utilise des techniques diverses, la plus simple à saisir étant les MEMS où on pilote un miroir microscopique pour dévier ou non le faisceau lumineux.

Pour l’instant, il nous suffit de savoir que ça existe, mais que ce n’est pas toujours facile à réaliser et que les performances peuvent être limitantes (vitesse de commutation ?). Mais on fera avec.

C’est une sorte d’aiguillage à 3 entrées: l’entrée 1 sort sur la 2, l’entrée 2 sort sur la 3 et la 3 sort sur la 1.

Ce miroir a la particularité de tourner la polarisation de 90°. Noté FM dans les schémas anglo-saxons.