Event-driven SPAD imager for quantum enhanced microscopy

Quantum enhanced microscopy is a quantum physics field that exploits non-classical states of light to reach unprecedented sensitivity in the imaging of ultrathin transparent materials, such as photosensitive cells, single protein layers and biomarkers. A first real-word implementation of quantum imaging is envisioned by the European Project Q-MIC (Quantum-enhanced on-chip interference MICroscopy) which aims at developing a miniaturized on-chip interferometric microscope without lenses and illuminated by short wavelength entangled photon pairs. From the detection standpoint, Q-MIC needs a SPAD image sensor array able to detect short wavelength single photon coincidences, within a coincidence time window as short as possible. This thesis work lies within this project by devising and designing the building blocks of a 96 × 96 SPAD imager implemented in 0.16 μm BCD technology. The imager integrates on the same die high efficiency sensors that can be operated at room temperature along with processing electronics. With such a large number of pixels, each consisting of 10 μm SPAD and 50 μm pitch, resolution is boosted. However, the major breakthrough is the ability to detect photon coincidences spread over the entire array directly on chip and to provide the addresses of the triggered pixels only when a coincidence is detected, thanks to a novel event-driven logic. The coincidence detection is performed in an analog way based on 12 × 12 sub-arrays bringing to coincidence windows of about 2 ns, while the way each triggered pixel communicates its address is similar to an I2C architecture. The readout lasts 330 ns, whereas state-of-art 96 × 96 arrays require tens of microseconds. Moreover, without the need for post-processing data coming from in-pixel Time-to-Digital Converters (TDCs), this brand-new approach results more efficient in terms of output data rate (only useful data of triggered pixels are provided outside the chip) and power consumption.

La microscopia quantistica sfrutta gli stati non classici della luce per rilevare materiali ultrasottili e trasparenti – come cellule fotosensibili, substrati di singole proteine e biomarcatori – con una sensibilità senza precedenti. Lo scopo del progetto europeo Q-MIC (“Quantum-enhanced on-chip interference MICroscopy”) è tradurre in realtà queste potenzialità quantistiche, attraverso lo sviluppo di un microscopio interferometrico di dimensioni ridotte, privo di lenti e illuminato con una sorgente di fotoni “entangled”. Dal punto di vista del rivelatore, il microscopio Q-MIC necessita di un array di SPAD capace di riconoscere l’arrivo di singoli fotoni con lunghezze d’onda nel visibile, in finestre di coincidenze più piccole possibili. Questo lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto Q-MIC e mira a progettare i componenti fondamentali di un rivelatore di 96 × 96 SPAD, implementato in tecnologia BCD 0.16 μm. Quest’ultima permette di integrare sullo stesso substrato sensori ad alta efficienza utilizzabili a temperatura ambiente ed elettronica di elaborazione. Con un numero così elevato di pixel (con pitch 50 μm e SPAD da 10 μm di diametro) la risoluzione è potenziata. Tuttavia la novità più importante risiede nella capacità di rivelare direttamente sul chip coincidenze di fotoni diffuse su tutto l’array e di comunicare esternamente gli indirizzi dei pixel coinvolti, solo una volta avvenuta la coincidenza grazie a un’innovativa logica “event-driven”. Il riconoscimento delle coincidenze avviene in maniera analogica a livello di sottomatrici di 12 × 12 pixel, mentre il modo in cui ogni pixel scattato comunica il suo indirizzo si basa su un’architettura simile all’I2C. Il tempo di lettura è 330 ns, quando le esistenti matrici di simili dimensioni richiedono decine di microsecondi. Inoltre, non necessitando di post-processare gli istanti di scatto di ogni pixel, questo nuovo approccio risulta più efficiente in termini di velocità di trasmissione dei dati all’esterno del chip (solo i dati relativi ai pixel coinvolti nelle coincidenze vengono trasmessi) e di consumo di potenza.