Experimental characterization of subnanosecond gating circuits for InGaAs/InP and silicon SPAD arrays

This thesis project aims at characterizing different single-photon systems based on integrated circuits for the gated-mode operation of silicon and InGaAs/InP SPAD photodetectors, both in single-pixel and in linear arrays structures. Features of both the abovementioned SPAD technologies are initially presented, together with the advantages of their fast-gating operation (i.e. with rising edge faster than 1 ns), highlighting some applications in which they’re typically used and also providing an overview on the fast-gated SPAD instrumentation state-of-the-art. Later is presented the description and characterization of a compact module developed at Politecnico di Milano, based on a Fast-Gated Active Quenching Circuit (FG-AQC) integrated chip, which can mount both silicon and InGaAs/InP SPADs and whose performance collocates it at the top of the state-of-the-art: transition times faster than 200 ps, maximum repetition rates higher than 150 MHz and timing resolution smaller than 100 ps. Such features allow the developed module to be employed in the QuantERA SQUARE (Silicon Photonics for Quantum Fibre Networks) project, regarding Quantum Key Distribution applications. In the last part of this thesis, a new version of the FG-AQC is described and characterized, both in its single-pixel and 16x1 array configuration, developed within the DARPA REVEAL (Revolutionary Enhancement of Visibility by Exploiting Active Light-fields) project in the field of Non-line-of-sight imaging.

Questo progetto di tesi si propone come obiettivo la caratterizzazione di sistemi di rivelazione di singoli fotoni basati su circuiti integrati per l’abilitazione gated-mode di fotorivelatori SPAD silicio ed InGaAs/InP, sia in strutture single-pixel che in array lineari. Vengono presentate inizialmente le caratteristiche dei fotorivelatori SPAD nelle due tecnologie citate ed i vantaggi nell’adoperarli in modalità fast-gating (ovvero con fronti di abilitazione più rapidi di 1 ns), evidenziando alcune applicazioni in cui questi vengono impiegati e fornendo una panoramica sullo stato dell’arte delle strumentazioni gated-mode. Successivamente viene descritto e caratterizzato un modulo compatto sviluppato al Politecnico di Milano, basato su un chip integrato Fast-Gated Active Quenching Circuit (FG-AQC), in grado di adoperare sia SPAD silicio che InGaAs/InP, le cui prestazioni lo collocano al vertice dello stato dell’arte: fronti di abilitazione con durata inferiore a 200 ps, massima frequenza di ripetizione superiore a 150 MHz e risoluzione temporale sull’arrivo dei fotoni inferiore a 100 ps. Queste performance permettono al modulo sviluppato di essere utilizzato nell’ambito del progetto QuantERA SQUARE (Silicon Photonics for Quantum Fibre Networks), riguardante applicazioni di Quantum Key Distribution. Nell’ultima parte viene descritta e caratterizzata una nuova versione di chip FG-AQC, sia in configurazione a singolo pixel che in una struttura ad array lineare 16x1 elementi, sviluppato nell’ambito del progetto DARPA REVEAL (Revolutionary Enhancement of Visibility by Exploiting Active Light-fields) riguardante applicazioni di Non-line-of-sight imaging.