SiPM modeling and read-out electronics for photon number resolved counting and timing

Silicon Photon Multipliers (SiPMs) are promising, extremely sensitive, optical detectors for many scientific and industrial applications and their development and deployment are growing worldwide. Among different technologies available for photon counting and photon timing (mostly known as time-correlated single photon counting), single photon detectors based on avalanche diode structures (SiPMs and SPADs) are frequently the best choice for applications requiring not only high performance, but also high reliability and ease of implementation. In particular, excellent photon detection efficiency combined with large collection area make SiPMs optimal sensors for single photon detection. Furthermore the availability of an analog output signal, proportional to the number of simultaneous firing microcells, allows to discriminate the number of photons impinging simultaneously on the device, thus making SiPMs useful detectors for multi-photon or photon-number resolved applications. In order to successfully exploit SiPMs in real applications, an analog electronic front-end circuitry able to amplify and process the signal is required. Main objectives of this thesis are: to introduce structure, main features, and key applications of SiPMs; to present a new comprehensive SPICE modelling for simulating detector’s behaviour; to describe and compare different front-end circuits for signal readout, amplification and processing; and to present the obtained experimental measurements. Finally a fully prototype system is presented, fully equipped with SiPM, analog front-end, excitation laser, digital processing board.

I Silicon Photomultipliers (SiPM) sono dei promettenti rivelatori ottici per molte applicazioni scientifiche e industriali ed il loro sviluppo e la loro distribuzione sono in crescita in tutto il mondo. Tra le diverse tecnologie disponibili per il photon-counting e photon-timing (per lo più noto come Time Correlated Single Photon Counting), i rivelatori a singolo fotone basati su strutture di tipo diodo a valanga (SiPM e SPAD) sono spesso la scelta migliore per le applicazioni che richiedono non solo alte prestazioni, ma anche elevata affidabilità e facilità di implementazione. In particolare, un’eccellente efficienza di rivelazione, combinata con un'ampia area di raccolta rendono i SiPM ottimi sensori per la rilevazione di singoli fotoni. Inoltre, la disponibilità di un segnale di uscita analogico, proporzionale al numero di microcelle simultaneamente attive, permette di discriminare il numero di fotoni che colpiscono contemporaneamente il dispositivo, rendendo così i SiPM rivelatori utili per applicazioni multi-photon o photon-number resolved. Per sfruttare efficacemente i SiPM in applicazioni reali, sono richiesti circuiti di lettura analogici in grado di amplificare ed elaborare il segnale. I principali obiettivi di questa tesi sono: introdurre la struttura, le caratteristiche principali e le maggiori applicazioni dei SiPM; presentare un modello SPICE per simulare il comportamento del rivelatore; descrivere e confrontare diversi circuiti di lettura, di amplificazione e di elaborazione; e di presentare le misure sperimentali ottenute. Infine viene presentato un prototipo di sistema che include SiPM, front-end analogico, laser di eccitazione, scheda di elaborazione digitale.