Single-Photon Infrared Imaging with a Silicon Camera Based on Long-Wavelength-Pumping Two-Photon Absorption

Resumen Técnico: Imagen de un solo fotón en el infrarrojo con una cámara de silicio basada en la absorción de dos fotones con bombeo de longitud de onda larga

Planteamiento del problema
La detección óptica sensible es crítica para aplicaciones que van desde la óptica cuántica hasta la inspección industrial. Si bien los detectores basados en silicio ofrecen un rendimiento superior en el espectro visible (alta eficiencia cuántica, bajos conteos de oscuridad y tiempos rápidos), su utilidad se ve limitada en la región del infrarrojo (IR) porque la energía de la banda prohibida (bandgap) del silicio (1.12 eV) supera la energía de los fotones de las longitudes de onda de telecomunicaciones (por ejemplo, 1550 nm). Los intentos previos para extender la detección de silicio al IR se han basado en modificaciones de materiales (por ejemplo, Ge-sobre-Si, implantación de defectos) o esquemas de conversión ascendente (upconversion) no lineales. Sin embargo, la conversión ascendente a menudo requiere ópticas de adaptación de fase (phase-matching) complejas, lo que limita el campo de visión y el ancho de banda espectral. Además, los métodos existentes de absorción de dos fotones (2PA) para la imagen en el IR utilizando bombeo degenerado (donde las longitudes de onda del bombeo y la señal son idénticas) sufren de un ruido de fondo severo causado por la absorción armónica del fuerte campo de bombeo y ofrecen una eficiencia de detección limitada para señales débiles.

Metodología
Los autores demostraron experimentalmente un sistema de imagen ultrasensible utilizando un dispositivo de carga acoplada de multiplicación de electrones (EMCCD) de silicio basado en la absorción de dos fotones no degenerada (ND-2PA) con un esquema de bombeo de longitud de onda larga.

• Configuración Experimental: El sistema utiliza un sistema de láser de fibra de modo bloqueado sincronizado. Se generan una señal de 1550 nm (banda de telecomunicaciones) y un bombeo de 3070 nm en el infrarrojo medio (MIR). El bombeo MIR se produce mediante la generación de diferencia de frecuencia en un cristal de niobato de litio periódicamente polarizado (PPLN) utilizando pulsos amplificados de 1030 nm y 1550 nm.
• Estrategia de Bombeo: La energía del fotón de bombeo (0.4 eV) se elige deliberadamente para que sea inferior a la energía de la mitad de la banda prohibida del silicio (0.56 eV). Esto asegura que el campo de bombeo por sí solo no pueda inducir absorción de dos fotones degenerada ni una absorción significativa de tres fotones, eliminando así el ruido de fondo generado por la excitación armónica del bombeo.
• Mecanismo: La imagen se basa en la absorción simultánea de un fotón de señal de 1550 nm (0.8 eV) y un fotón de bombeo de 3070 nm (0.4 eV). Su energía combinada (1.2 eV) supera la banda prohibida del silicio, generando portadores de carga libres que son detectados por el EMCCD.
• Configuración: La señal y el bombeo se combinan espacialmente y se proyectan sobre el EMCCD mediante un sistema 4f. El sistema opera con una resolución temporal de picosegundos (ventana de puerta de 5 ps) debido al enmascaramiento óptico coincidente de las fuentes pulsadas.

Contribuciones Clave

1. Supresión de Ruido: Al emplear un bombeo de longitud de onda larga (3070 nm) con una energía de fotón por debajo de la mitad de la banda prohibida del silicio, el sistema elimina eficazmente el ruido de fondo derivado de la absorción armónica del bombeo, un problema común en la imagen de 2PA degenerada.
2. Absorción No Lineal Mejorada: La operación no degenerada aumenta significamente el coeficiente de absorción de dos fotones en comparación con los esquemas degenerados. El análisis teórico y los datos experimentales muestran un factor de mejora inversamente proporcional a la potencia de la señal, lo que hace que este esquema sea particularmente efectivo para señales débiles.
3. Sensibilidad de Fotón Único: La combinación de una operación de bajo ruido y la alta ganancia del EMCCD permitió al sistema aproximarse a una sensibilidad de detección de 1 fotón/píxel/pulso, un referente para la imagen basada en 2PA.
4. Alta Resolución Espacial y Capacidad de Banda Ancha: A diferencia de los métodos de conversión ascendente, este proceso no lineal en el chip no requiere adaptación de fase. Esto permite una alta resolución espacial de 13 μm (limitada por el tamaño del píxel) y una ventana de aceptación espectral amplia sin necesidad de alineaciones ópticas complejas.

Resultados

• Rendimiento de Imagen: El sistema capturó con éxito imágenes 2D de máscaras de transmisión y objetivos de resolución (USAF-1951). El análisis de la Función de Transferencia de Modulación (MTF) indicó una resolución espacial que se aproxima a 40 pares de líneas/mm (12.4 μm).
• Comparación de Sensibilidad: En comparación con la 2PA degenerada (D-2PA), la configuración ND-2PA proporcionó una mejora de 32 veces en la tasa de conteo de fotones para los niveles de potencia probados. La tasa de conteo para ND-2PA mostró una dependencia lineal con la potencia de la señal, mientras que la D-2PA mostró una dependencia cuadrática, confirmando la dominancia del proceso no degenerado para señales débiles.
• Operación de Fotón Único: El sistema logró imágenes de alto contraste con una iluminación incidente de 1 fotón/píxel/pulso, aunque requiriendo un tiempo de acumulación más largo (80 s) en comparación con las condiciones de mayor flujo (100 fotones/píxel/pulso con 8 s de exposición).
• Resolución Temporal: El sistema demostró una resolución temporal de aproximadamente 5 ps (determinada por la duración del pulso), permitiendo una resolución longitudinal de 0.75 mm en la imagen reflectante. Esta resolución es órdenes de magnitud mejor que el jitter de tiempo de los métodos de detección directa.
• Demostración de Aplicación: El sistema se utilizó para obtener imágenes de una oblea de silicio con características de ablación láser, demostrando su potencial para la inspección de defectos no destructiva en chips semiconductores.

Significado
El artículo afirma que este trabajo representa un logro sin precedentes en la sensibilidad de imagen basada en el esquema 2PA. Al combinar la técnica de bombeo de longitud de onda larga con un EMCCD de silicio, los autores han logrado un sistema de imagen infrarroja directo y sensible al conteo de fotones únicos que evita los estrictos requisitos de adaptación de fase y las complejidades de alineación óptica de los detectores de conversión ascendente. Los autores afirman que esta capacidad facilita aplicaciones tales como la microscopía de tiempo de vida de fluorescencia de baja luz y la imagen 3D de tiempo de vuelo de conteo de fotones. Además, sugieren que extender la longitud de onda de bombeo más allá de los 3300 nm podría eliminar aún más el ruido residual de absorción de tres fotones, permitiendo potencialmente una sensibilidad aún mayor, campos de visión más amplios y una resolución mejorada para la tomografía óptica volumétrica.