Modulo compatto e altamente programmabile basato su un circuito integrato per l'abilitazione rapida di SPAD in InGaAs/InP

Nowadays many applications in different fields (electronics, telecommunications , biomedical applications, etc.) require photodetectors capable of detecting extremely fast and faint optical signals in the near-infrared wavelength range. InGaAs/InP Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) are becoming increasingly widespread thanks to their high detection efficiency and timing resolution. However, for their proper operation, they need a complex system for providing the gate signal, detecting the avalanche and cooling them down. This thesis aims to design a new compact and fully-programmable module for single-photon detection in the near-infrared wavelength range. The detection system, which includes an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) for the front-end electronics, the detector and the cooling system (a thermos-electric cooler), is mounted inside a compact TO-8 package. The gate is generated by a digital circuit in an FPGA, in order to obtain high versatility and good performance, without employing many high-power consumption discrete components. First, the compact system-in-package has been developed and characterized. Then, the detection module based on such “System in Package” has been designed, assembled and tested. The different sections of the module are described in detail, including an in-depth overview of the FPGAbased control unit. The last part of this work is devoted to module characterization: the gate generation circuit provides pulses with programmable high-resolution width (down to about 40 ps), in a very wide range (from 300 ps up to more than 1 μs), high linearity (DNL < 0.5 LSB) and strong immunity against temperature variations (gate width variations < 0.01 %/°C). Concerning performance with the InGaAs/InP SPAD detector, rise and fall time of the gate window are very fast (< 200 ps) and the efficiency is uniform within the gate window. Finally, short gate (< 1 ns) measurements show a remarkable reduction in afterpulsing probability, which allows high count-rate (> 10 Mcps). This feature, combined with the capability to achieve up to 250 MHz gate repetition rate, makes this module ideal for high-speed applications (like telecommunication ones).

Sempre più applicazioni in vari ambiti (elettronico, biomedico, telecomunicazioni, ecc.) richiedono sistemi in grado di rivelare impulsi luminosi estremamente veloci e molto deboli nel vicino infrarosso. In questo contesto, i rivelatori di singolo fotone SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) in InGaAs/InP si sono contraddistinti per efficienza e risoluzione temporale. Tuttavia, per il loro corretto impiego, è necessario realizzare un complesso sistema per fornire il segnale di abilitazione, rivelare le valanghe e raffreddare il rivelatore. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è la realizzazione di un modulo compatto ed altamente programmabile per la rivelazione di singoli fotoni nel vicino infrarosso. Si vuole utilizzare un sistema miniaturizzato basato sull’integrazione in un unico package TO-8 dell’elettronica integrata in un chip, del fotorivelatore e del sistema di raffreddamento termo-elettrico. Il circuito digitale per la generazione degli impulsi di gate è implementato all’interno di un FPGA (Field-Programmable Gate Array) per garantire versatilità ed alte prestazioni, senza utilizzare componenti discreti caratterizzati da un elevato consumo di potenza e di spazio. Inizialmente è stato sviluppato il sistema di rivelazione miniaturizzato all’interno del package e se ne sono caratterizzate le prestazioni. Quindi si è passati al progetto del modulo basato su questo “System in Package”. Le tre schede che lo compongono sono descritte in dettaglio, ponendo particolare attenzione sull’unità di controllo realizzata in FPGA. Nella parte finale vengono presentati i risultati ottenuti dalla caratterizzazione del modulo: gli impulsi generati hanno una durata programmabile con una risoluzione elevata (fino a circa 40 ps) su un ampio intervallo (da 300 ps a più di 1 μs), alta linearità (DNL < 0.5 LSB) ed elevata immunità alle variazioni di temperatura (la variazione percentuale della larghezza degli impulsi è < 0.01 %/°C). Per quanto riguarda le prestazioni con lo SPAD in InGaAs/InP, il gate ottico ha fronti di salita e discesa molto rapidi (< 200 ps) ed una buona uniformità dell’efficienza all’interno finestra. Infine, le misure effettuate con impulsi molto stretti (< 1ns) mostrano una significativa diminuzione dell’afterpulsing, rendendo possibile il raggiungimento di un alto count rate (> 10 Mcps). Questa caratteristica, unita alla possibilità di raggiungere una frequenza di ripetizione del gate pari a 250 MHz, rendono il modulo realizzato ideale per quelle applicazioni che richiedono prestazioni elevate in termini di velocità (es. nel campo delle telecomunicazioni).