Time-gated SPAD systems for visible and near-infrared photon counting

Single-photon detectors are nowadays well consolidated devices, finding employment in a multidisciplinary spectrum of both scientific and industrial applications. They are exploited in material science and biology to measure fast fluorescence decays, in rangefinders to precisely timestamp laser return echo pulses, and have been applied to the quantum optics fields to enable quantum computing and quantum communications. While originally designed as vacuum tube devices, the vast majority of single-photon detectors are today Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) and Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs). Even though SNSPDs can reach superior detection performance, they rely on superconducting material properties, hence require bulky cooling solutions to be operated at cryogenic temperatures. On the other hand, SPADs are compact and reliable devices that are fabricated with microelectronic technologies. Indeed, for the visible range and up to 1 µm wavelengths, silicon SPADs can be fabricated with standard CMOS processes, thus they can be monolithically integrated with dedicated electronics in large-format arrays. For detecting single photons beyond 1 µm, SPADs in different materials, like III-V compounds and germanium, can be easily bonded to Read-Out Integrated Circuits (ROICs) for developing highly compact detectors, thus making such technologies quite promising solutions for all photon counting application in the Short-Wave Infrared Range (SWIR). Beyond their ruggedness and overall good detection metrics, SPADs can be operated with moderate to none cooling solutions. Additionally, a rather unique SPADs’ feature is their ability to be time-gated: they can be swiftly driven from OFF to ON condition in just few hundreds of picoseconds, thus paving the way to new single-photon counting techniques. The goal of this Ph.D. work is to leverage SPADs’ time-gating capabilities to develop: i) a 16 × 16 SPAD camera enabling video-rate Non-Line-Of-Sight (NLOS) imaging for the first time; ii) a pair of high-throughput detectors based on silicon and InGaAs/InP SPAD to be employed in free-space and fiber-coupled Quantum Key Distribution (QKD) applications. This dissertation is divided into four chapters, which are organized as follows: Chapter 1 deals with the concept of single-photon counting. The most relevant single-photon detectors are here reviewed, and their figures of merit highlighted. Among those, SPADs are selected as the most suitable devices for achieving the desired goals. Then, gated-mode operation is discussed as a technique to either perform a time-domain selection of the incoming photons, or to mitigate the detector’s noise, or even to increase its dynamic range. Chapter 2 and Chapter 3 present the design of a time-gated 16 × 16 SPAD camera developed within the DARPA “REVEAL” project. In particular, Chapter 2 describes the requirements of NLOS imaging and compares them with the features offered by existing state-of-the-art SPAD-based sensors. On the basis of such requirements, the development of a new fully-integrated 16 × 16 SPAD array is presented from a microelectronics standpoint and all the related design choices are discussed. Chapter 3 deals with the integration of such sensor in the final camera system, whose goal is to interface the 16 × 16 SPAD array with an existing NLOS measurement setup, proving its scalability by making it faster and optimizing its size, weight, power and cost. Firstly, the developed hardware and software solutions are illustrated. A full characterization of the camera follows, and lastly some NLOS reconstructions are reported. Chapter 4 describes the design of a SPAD-based system compatible with both silicon and InGaAs/InP SPADs to be embedded in a QKD receiver within the EC-funded “MeTISQ” project. Time-gating technique is here exploited to reduce the detector’s dead time, hence make it reach state-of-the-art throughputs. The design of the employed architecture is guided by the solutions that are available in literature, and the newer design choices highlighted and targeted to guarantee high count rates and long-term stability. Lastly, system characterization is presented, and its performance assessed.

Ad oggi, i rivelatori di singoli fotoni sono dispositivi ben consolidati, il cui utilizzo interessa una vasta gamma di applicazioni in ambito sia scientifico che industriale. Essi possono trovare impiego nello studio dei materiali e della loro composizione, in misure di fluorescenza atte a registrare l’emissione spontanea di molecole campione, nei telemetri basati sul calcolo del tempo di volo di impulsi laser, ed anche nell’ambito dell’ottica quantistica, dove più recentemente sono stati applicati al quantum computing e alla crittografia quantistica. Sebbene i primi rivelatori di singoli fotoni fossero originariamente progettati come valvole termoioniche, la maggior parte di essi sono attualmente realizzati con tecnologie a stato solido, o basate su materiali superconduttori. Oggigiorno i più diffusi sono gli SPAD (Single-Photon Avalanche Diodes), dispositivi a stato solido, e gli SNSPD (Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors), realizzati con materiali superconduttori. Se gli SNSPD possono raggiungere prestazioni superiori, essi devono essere operati a temperature criogeniche, dunque richiedono soluzioni di raffreddamento ingombranti e tipicamente costose. Contrariamente, gli SPAD sono dispositivi compatti e robusti, che possono essere fabbricati con tecnologie microelettroniche. In particolare, gli SPAD impiegati per rivelare fotoni con lunghezza d’onda fino a 1 µm sono perfettamente compatibili con i processi CMOS standard, quindi possono essere integrati con un’elettronica dedicata in matrici di grande dimensione. Per rilevare singoli fotoni oltre 1 µm, è possibile realizzare SPAD utilizzando materiali diversi dal silicio, come composti III-V e germanio. Questi dispositivi possono essere facilmente interfacciati a circuiti integrati dedicati alla lettura del segnale di rivelazione, rendendo possibile anche in questo caso la realizzazione di sensori estremamente compatti; ciò rende tali tecnologie promettenti per applicazioni il cui spettro si estende al vicino infrarosso. Oltre alle loro buone prestazioni, il principale vantaggio degli SPAD è la possibilità di essere utilizzabili senza complesse soluzioni di raffreddamento. Essi sono tipicamente operati a temperatura ambiente, o eccezionalmente mantenuti fino a poche decine di gradi centigradi sotto lo zero. Infine, una caratteristica peculiare degli SPAD è la loro capacità di essere operati in modalità time-gated: essi possono essere attivati molto rapidamente (in poche centinaia di picosecondi), metodo che ha consentito a diverse nuove tecniche di conteggio di singoli fotoni di emergere. L'obiettivo di questo dottorato consiste nell’ottimizzazione delle capacità di time-gating degli SPAD per sviluppare: i) una camera SPAD con 16 × 16 pixel che dimostri la possibilità di operare la tecnica di Non-Line-Of-Sight (NLOS) imaging a rate video; ii) una coppia di rivelatori per applicazioni ad alto conteggio basati su SPAD silicio e InGaAs/InP da impiegare in ambito Quantum Key Distribution (QKD), sia free-space che con accoppiamento in fibra. La presente tesi è suddivisa in quattro capitoli, organizzati come segue: Il Capitolo 1 tratta il concetto di single-photon counting. Vengono qui esaminati i rivelatori di singolo fotone più rilevanti, e le loro figure di merito evidenziate. Tra di essi, gli SPAD sono selezionati come i dispositivi più adatti al raggiungimento degli obiettivi prefissati. Segue una descrizione della modalità di funzionamento time-gated, esplicitandone le possibilità di utilizzo sia per eseguire un filtraggio dei fotoni incidenti nel dominio del tempo, sia per mitigare il rumore del rivelatore ed aumentarne il dynamic range. Il Capitolo 2 e il Capitolo 3 presentano la progettazione e caratterizzazione di una camera SPAD con 16 × 16 pixel operata in modalità time-gated e realizzata nell'ambito del progetto DARPA “REVEAL”. In particolare, il Capitolo 2 descrive i requisiti della tecnica di NLOS imaging e li confronta con le specifiche dei sensori SPAD esistenti. Data l’assenza di un rivelatore idoneo a questa tecnica, viene presentato lo sviluppo di un nuovo array di 16 × 16 SPAD e vengono discusse tutte le relative scelte progettuali. Il Capitolo 3 tratta dell'integrazione di tale sensore nel modulo finale, il cui obiettivo è di interfacciare l’array di 16 × 16 SPAD con un sistema di misurazione NLOS esistente, dimostrandone la scalabilità e rendendolo più veloce, oltre che ottimizzandone le dimensioni, il consumo di potenza e i costi complessivi di produzione. In primo luogo, vengono illustrate le soluzioni hardware e software sviluppate. Segue una caratterizzazione completa della telecamera e, infine, vengono riportate le prime ricostruzioni NLOS. Il Capitolo 4 descrive la progettazione di un sistema singolo-pixel, compatibile sia con SPAD silicio che con SPAD InGaAs/InP, e da incorporare in un ricevitore QKD nell'ambito del progetto “MeTISQ”, finanziato dalla CE. La tecnica di time-gating viene qui sfruttata per ridurre i tempi morti del rivelatore, consentendogli di raggiungere un elevato numero di conteggi al secondo. La progettazione di questo sistema attinge dalle soluzioni disponibili in letteratura, ma introduce scelte progettuali mirate a garantire tassi di conteggio elevati e stabilità a lungo termine. Viene infine presentata la caratterizzazione del sistema e delle sue prestazioni.