Gigahertz SPAD-dummy detection system with long-term stability for high photon counting rate

The capability to achieve high count rates has become an imperative in the most areas where near-infrared single-photon counters are required to detect photons up to 1.7 µm. Afterpulsing mitigation has become a dominant theme in recent work on InGaAs/InP SPADs. Given the challenges inherent in reducing the density of defects that give rise to the carrier trapping events causing afterpulsing, the only viable approach has been to reduce the potential number of carriers that can be trapped by limiting the charge flow per avalanche event. This thesis work aims to design a novel and compact InGaAs/InP SPAD single-photon detection system based on gigahertz sinusoidal gating and SPAD-dummy balancing. Gigahertz sinusoidal gating reduces the total charge flowing into the device by turning the detector ON and OFF for fractions of nanoseconds by means of a sinusoidal signal at a frequency higher than 1 GHz. The capacitive gate signal feedthrough present at the readout node is cancelled through the SPAD-dummy balancing technique. The dummy is a blind detector that shares the cathode contact with the SPAD. The feedthrough cancellation is achieved when the two detectors are driven with two equal sinusoids in antiphase. The system developed in this thesis is able to generate the sinusoidal signals in a programmable wide range (1.0 – 1.6 GHz) for allowing synchronization with external laser source and for exploiting the best trade-off between afterpulsing and photon detection efficiency. The gate signal amplitude is tunable from 0.5 V to 7 V with 20 µV resolution and with a phase resolution better than 0.5°. A feedback control loop guarantees long-term stability of gate feedthrough cancellation. The system is able to monitor the residual gate feedthrough power at the readout node and to autonomously adjust amplitude and phase of the sinusoids fed to the SPAD-dummy couple. A stable gate feedthrough signal cancellation higher than 45 dB is achieved. The final system has been experimentally characterized using a silicon CMOS SPAD and an InGaAs/InP SPAD.

La capacità di raggiungere alti tassi di conteggio è diventata un imperativo in molti campi in cui sono richiesti per campi di ricerca che richiedono la rilevazione rivelatori di singoli fotoni nel vicino infrarosso fino a 1.7 µm. La riduzione dell’afterpulsing è diventata perciò un tema di ricerca dominante per quanto riguarda gli SPAD fabbricati in InGaAs/InP. Date le sfide legate alla riduzione della densità di difetti presenti nel materiale costituente il rivelatore, l’unica strada percorribile è la riduzione del numero di portatori di carica che possono essere intrappolati limitando la carica circolante durante la valanga. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un sistema di rilevazione di singolo fotone basato su SPAD in InGaAs/InP pilotato con la tecnica del ‘gating sinusoidale’. Questa tecnica di abilitazione è basata su onde sinusoidali ad alta frequenza (oltre 1 GHz) che accendono e soprattutto spengono velocemente il fotorivelatore ad ogni ciclo, limitando così la carica circolante nel dispositivo e riducendo di conseguenza la probabilità di afterpulsing. A causa dell’elevata frequenza, è presente un forte accoppiamento capacitivo al nodo di lettura della valanga che viene ridotto con l’approccio ‘SPAD-dummy balancing’. Viene utilizzato un secondo detector incapace di rilevare fotoni, chiamato dummy, che condivide il catodo con lo SPAD. Pilotando SPAD e dummy con due segnali di uguale ampiezza e in controfase è possibile ottenere la cancellazione del segnale spurio dovuto all’accoppiamento capacitivo. Il sistema sviluppato è capace di generare i segnali sinusoidali di gate in un esteso intervallo di frequenze (1.0 – 1.6 GHz) per permettere la sincronizzazione con sorgenti laser esterne e trovare il miglior compromesso tra afterpulsing ed efficienza di rilevazione. Il segnale di gate ha un’ampiezza regolabile tra 0.5 V e 7 V con una risoluzione di 20 μV e una fase regolabile con una risoluzione migliore di 0.5°. Il progetto di un sistema di controllo retroazionato permette di monitorare la potenza del segnale di feedthrough al nodo di lettura e di aggiustare autonomamente ampiezza e fase delle sinusoidi che pilotano SPAD e dummy, ottenendo un’attenuazione stabile del segnale di gate al nodo di lettura maggiore di 45 dB. Il sistema è stato caratterizzato sperimentale con uno SPAD in silicio realizzato in tecnologia standard CMOS e con uno SPAD in InGaAs/InP.