The increasing number of applications based on the detection of weak and fast light pulses requires the development of new systems based on single-photon detectors. Solid state single-photon avalanche diode (SPAD) are promising candidates, given the high time resolution and high detection efficiency, which make them suitable for many applications. Although, InGaAs/InP SPADs, which are suitable for the near infrared up to 1700nm, are characterized by high dark count rate (DCR) and afterpulsing. The latter can be limited by enabling the system in specific time windows and by reducing the current flowing into the deice. To this aim, a technique is the sinusoidal gating, where the SPAD is activated by a high frequency sinusoidal signal. A modification to this method has been proposed and developed at Politecnico di Milano. This approach requires that two signals of opposite phases are applied at the anodes of two identical SPADs and that the avalanche signal is detected at the common cathode. This thesis further develops such approach, in order to build and characterize a reliable SPAD module starting from a previous prototype. After identifying the main issues of the previous prototype, the system has been redesigned. A good reliability for performing stable measurements has been achieved with a full characterization of the main components of the modulus and with the development of a feedback system. This relies on a fast and reliable pseudo-random algorithm, developed in a micro-controller, that minimize the signal at the cathode acting on the amplitude and phase of the gate signals. By means of this analysis, it has been possible to characterize the full system and to assess its limits and possible solutions that could be applied to improve the performances and solve the highlighted issues.

La diffusione crescente di applicazioni basate sulla rivelazione di impulsi luminosi molto deboli e rapidi, richiede lo sviluppo di nuovi sistemi atti alla rivelazione del singolo fotone. I rivelatori SPAD, Single Photon Avalanche Diode, a stato solido, sono degli ottimi candidati per queste applicazioni, presentando una elevata risoluzione temporale ed alta efficienza, il tutto legato ad una facilità di utilizzo in ambito industriale. Tuttavia gli SPAD in InGaAs/InP, adatti a rivelare fotoni nel vicino infrarosso fino a 1700 nm, sono caratterizzati da un elevato DCR (Dark Count Rate) e da un notevole fenomeno di afterpulsing. Per limitare il contributo dell’afterpulsing è perciò necessario abilitare gli SPAD in determinati istanti temporali e limitare la carica circolante nel dispositivo. Una delle tecniche utilizzate è quella del gating sinusoidale, con la quale lo SPAD è abilitato da un segnale sinusoidale ad alta frequenza. Presso il Politecnico di Milano è stata sviluppata una variante di questa tecnica che prevede l’applicazione di una coppia di segnali in contro fase agli anodi di due SPAD identici, prelevando il segnale di valanga sul catodo comune. In quest’ottica si inserisce il presente lavoro di tesi: partendo da un modulo sinegate precedentemente realizzato e constatatene le problematiche che ne rendevano l’utilizzo non adatto alla rivelazione del singolo fotone, si è proceduto con una profonda attività di riprogettazione consistente nella caratterizzazione dei blocchi principali costituenti il modulo.E’stato quindi sviluppato un sistema di retroazione che, tramite un algoritmo pseudocasuale implementato in un microcontrollore, minimizza il segnale al catodo tramite lo sfasamento opportuno dei segnali di gate, rendendo così affidabile il funzionamento del modulo per la realizzazione di misure stabili nel tempo. Infine è stata realizzata la caratterizzazione dell’intero sistema.