Modulo di rivelazione ad alti tassi di conteggio basato su SPAD in InGaAs/InP

An increasing number of applications is based on the detection of very faint (down to the single-photon level) and extremely fast light pulses. Solid-state detectors, like Single-Photon Avalanche Diodes (SPAD), are advantageous in terms of reliability, compactness and robustness. For the wavelength range between 900 nm and 1700 nm, InGaAs/InP SPAD are employed, but they have high noise: high dark count rate and strong afterpulsing. Therefore, they need to be cooled and enabled in defined time slots synchronous with the signal pulses (gated-mode). Then, afterpulsing is reduced by keeping the detector off after each photon detection for few microseconds (hold-off time), thus limiting the maximum count rate (< 100 kcps). Recently, few techniques based on high-frequency (GHz) gate signals have been introduced in order to strongly limit afterpulsing (by reducing the avalanche charge) for having short hold-off time (< 1 ns) and achieving high count rate (> 100 Mcps). These methods require to develop techniques for reading the faint avalanche signal out of strong disturbances due to the coupling of the gate signal at the read-out node. In this master thesis, a compact and reliable module has been developed for reading differentially the avalanche signal and compensating the disturbances thanks to the introduction of a feedback loop. With this approach, the avalanche signal is not distorted for having a wide-band temporal response and a stable system despite components thermal drifts. During this work, the following blocks ware developed: i) generation of the gate sinusoid, with programmable amplitude (up to 7V) and frequency (800 MHz – 1.5 GHz); ii) wideband readout of the avalanche signal (> 3 GHz); iii) automatic suppression of the gate coupling; iv) microcontroller-based supervision of the whole system. Finally, the whole system has been experimentally characterized.

Un numero sempre maggiore di applicazioni si basa sulla rivelazione di impulsi ottici molto deboli (a livello del singolo fotone) ed estremamente rapidi. I rivelatori a stato solido, quali Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), hanno vantaggi in termini di affidabilità, compattezza e robustezza. Per le lunghezze d’onda tra i 900 nm e i 1700 nm, si usano SPAD in InGaAs/InP che sono però caratterizzati da un rumore elevato: alto tasso di conteggi di buio e notevole afterpulsing. Per questo motivo, oltre a dover essere raffreddato, è necessario abilitarlo solo in finestre temporali sincrone con il segnale e, dopo la rivelazione di un fotone, disabilitarlo per un tempo (hold-off) dell'ordine dei microsecondi. Questo metodo di abilitazione (gated-mode) impone una forte limitazione al massimo tasso di conteggio ottenibile (< 100 kcps). Recentemente sono state introdotte tecniche di abilitazione basate su segnali ad alta frequenza (GHz) per ottenere una forte riduzione dell’afterpulsing (riducendo la carica per valanga) al fine di ridurre i tempi di hold-off (< 1 ns) e ottenere tassi di conteggio molto elevati (> 100 Mcps). Questi metodi richiedono lo sviluppo di tecniche di lettura del debole segnale di valanga in presenza di forti disturbi dovuti all’accoppiamento capacitivo del segnale di abilitazione al nodo di lettura. In questo lavoro di tesi si è sviluppato un modulo compatto e affidabile basandosi sulla lettura differenziale del segnale e sulla compensazione dei disturbi grazie all’introduzione di un anello di retroazione. In questo modo la forma del segnale di valanga non viene alterata al fine di garantire un risposta temporale ad ampia banda e il sistema è stabile anche in presenza di derive termiche dei componenti. Durante il presente lavoro sono stati sviluppati i seguenti blocchi: i) generazione della sinusoide di gate, di ampiezza (fino a 7 V) e frequenza (800 MHz – 1.5 GHz) programmabile; ii) lettura del segnale di valanga a larga banda passante (> 3 GHz); iii) cancellazione automatica dell’accoppiamento del segnale di abilitazione; iv) controllo basato su microcontrollore, dell’intero sistema. L’intero sistema è stato poi caratterizzato sperimentalmente.