High-performance integrated electronics for high-throughput Time Correlated Single Photon Counting

The analysis of optical signals by means of Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) has been subject to a widespread and steadily increasing interest in recent years, driven by the need for ultimate sensitivity in various scientific and industrial applications such as Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) and Förster Resonance Energy Transfer (FRET) in life sciences, Laser Imaging Detection and Ranging (LIDAR) in remote objects sensing and Quantum Key Distribution (QKD) in cryptography and communication. In particular, the use of fluorescence lifetime spectroscopy as both analytical and research tool has increased markedly in recent years. To date, fluorescence lifetime spectroscopy has found remarkable applications in chemistry, biochemistry and biology. The Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique is a very effective tool to reconstruct the waveform of ultrafast and weak periodic light signals with extremely high precision. The development of high-performance TCSPC acquisition systems has undergone a fast trend in the past few years. However, the currently available systems still suffer from a trade-off between the number of channels and performance. The approach followed in this work is completely orthogonal to what other researchers currently pursue, both in terms of the technologies and of the architecture adopted. High-performance, fully-integrated readout and processing electronics has been developed using two different technologies, each of them optimally suited for a single part of the system, targeting the exploitation of dense arrays of high-performance custom technology SPAD detectors combined with the electronics in a 3-D stacked architecture. I designed a pick-up circuit able to extract the timing information from high-performance custom technology SPAD with picosecond timing jitter, a 80MHz time to amplitude converter featuring a high timing precision and low DNL and a smart routing entity capable of joining the advantages of having hundreds of detectors and a few conversion chains without any distortion or loss of information.

Negli ultimi anni l’analisi di segnali luminosi mediante Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) è stata utilizzata in moltissimi campi e in un numero sempre crescente di applicazioni, quali, ad esempio, Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) e Förster Resonance Energy Transfer (FRET) in ambito biomedicale, Laser Imaging Detection and Ranging (LIDAR) nel telerilevamento e Quantum Key Distribution (QKD) nella comunicazione. In particolare lo studio delle costanti di tempo della fluorescenza viene ampiamente utilizzato in chimica, biochimica e biologia. In questo ambito, la Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) è una tecnica molto efficace per ricostruire la forma d’onda di segnali luminosi periodici estremamente deboli e veloci con precisione molto elevata. Il trend di sviluppo di sistemi di acquisizione TCPSC ad alte prestazioni ha avuto una rapida crescita negli ultimi anni. Tuttavia, i sistemi attualmente disponibili soffrono di un tradeoff tra numero di canali e prestazioni. L’approccio che ho seguito in questo lavoro è completamente ortogonale rispetto a quello che al momento viene seguito dagli altri ricercatori in questo settore, sia in termini di tecnologie utilizzate che di architettura. Ho sviluppato circuiti integrati ad alte prestazioni utilizzando due diverse tecnologie, scelte per ottimizzare ciascuna una diversa parte di un sistema che prevede l’utilizzo di rivelatori SPAD in tecnologia custom ad alte prestazioni da collegare all’elettronica mediante una struttura basata su 3D stacking. Ho progettato e realizzato un circuito integrato di prelievo della corrente dello SPAD in grado di estrarre l’informazione temporale da dispositivi custom con un jitter di poche decine di picosecondi, un converitore tempo-ampiezza integrato ad altissima risoluzione temporale, bassa DNL e frequenza di conversione fino a 80MHz e un sistema di routing intelligente per poter unire i vantaggi di avere tanti rivelatori e poche catene di conversione garantendo che non vi siano distorsioni o perdita di informazioni nella misura.