Advanced instrumentation for time-resolved single- and multi-photon counting applications

Many high-end applications require very sensitive photodetectors and imagers able to measure very faint and very fast optical signals. Examples of such applications are distance ranging by measuring photons’ time-of-flight (TOF), fluorescence lifetime imaging, and quantum communications. While some photon-starved applications require Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) arrays thanks to their single-photon sensitivity, others must operate with either a few or even many photons per event, so Silicon Photomultipliers (SiPM) or alike should be preferred. My PhD research aims at developing advanced electronic instrumentation based on multi-pixels photon detectors and imagers, able to measure the intensity of light events by counting the number of incoming photons, record the time-resolved optical waveform through the measurement of the photons’ arrival time, and detect coincidences in the arrival time across the SPAD array sensors. To ensure optimal performance in TOF applications, both practical and theoretical studies about the photodetector choice will be provided. Starting from the results obtained in previous photodetector modeling, this research will study in depth the performance achievable with both avalanche photodiodes (APD), SPAD and SiPM, with a variable number of cells. Furthermore, a dedicated hardware with field programmable gate array (FPGA) to detect photon coincidences will be designed. This will pave the way to a new instrument based on “programmable” SiPMs, able to detect photon arrival coincidences with variable photon thresholds, to be adjusted based on the operating conditions. Chapter 1 presents the background of LiDAR measurement systems, from the first historical mechanical example to the modern system based on electromagnetic waves and image sensor. After a brief overview on the various modern techniques, the photodetector used for LiDAR systems will be presented and then the state of the art will be discussed. Chapter 2 will be about the modeling of photodetectors. After a description of the characterization of the detectors, a mathematical model will be presented for avalanche photodiode (APD), single-photon avalanche diode (SPAD), and for the silicon photomultiplier (SiPM). These models will lead to a performance comparison among the detectors through a nomograph. Given these results a prototype of single-pixel time of flight 5 × 5 SPAD camera will be presented. Chip, system, and measurements will be discussed. Chapter 3 proposes digital and analog methods to reject the background light, so to increase the signal to noise ratio. Various algorithm and architectures will be proposed for single-shot and multi-shot applications. Eventually one of these methods will be used in a prototype chip for industrial applications. System and measurements will be shown. Chapter 4 presents the simulations and the modeling of a new type of hybrid digital and analog SiPM with on-chip background rejection circuitry. In the first phase, performances, with the given parameters will be shown and then, improvements will be added so to adapt parameters to the target specifications to reach better performances. Eventually, system prototype and achievements will be shown and compared to the predicted one. Chapter 5 illustrates one of the many side works of this PhD research a multi-channel time to digital converter (TDC) implemented in a field programmable gate array (FPGA) system.

Molte applicazioni di fascia alta richiedono fotorilevatori e sensori di immagine molto sensibili in grado di misurare segnali ottici molto deboli e molto veloci. Esempi di tali applicazioni sono la misurazione della distanza misurando il tempo di volo (TOF) dei fotoni, l'imaging della durata della fluorescenza e le comunicazioni quantistiche. Mentre alcune applicazioni richiedono matrici di fotodiodi a valanga a singolo fotone (SPAD), altre devono funzionare sia con pochi che con molti fotoni per evento; quindi, i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) o simili dovrebbero essere preferiti. La mia ricerca di dottorato mira a sviluppare una strumentazione elettronica avanzata basata su rilevatori di fotoni multi-pixel e sensori di immagine in grado di misurare l'intensità di eventi luminosi contando il numero di fotoni in ingresso, registrare la forma d'onda ottica risolta nel tempo attraverso la misurazione dell'arrivo dei fotoni tempo e rilevare le coincidenze nell'ora di arrivo attraverso i sensori dell'array SPAD. Per garantire prestazioni ottimali nelle applicazioni TOF, verranno forniti studi sia pratici che teorici sulla scelta del fotorilevatore. Partendo dai risultati ottenuti nella precedente modellazione di fotorivelatori, questa ricerca studierà in modo approfondito le prestazioni ottenibili con entrambi i fotodiodi a valanga (APD), SPAD e SiPM, con un numero variabile di cellule. Inoltre, sarà progettato un hardware dedicato con field programmable gate array (FPGA) per rilevare coincidenze di fotoni. Questo aprirà la strada a un nuovo strumento basato su SiPM "programmabili", in grado di rilevare coincidenze di arrivo di fotoni con soglie fotoniche variabili, da regolare in base alle condizioni operative. Il capitolo 1 presenta varie tipologie di sistemi di misura LiDAR, dal primo esempio meccanico storico al moderno sistema basato su onde elettromagnetiche e sensore di immagine. Dopo una breve panoramica sulle varie tecniche moderne, verrà presentato il fotorilevatore utilizzato per i sistemi LiDAR e quindi verrà discusso lo stato dell'arte. Il capitolo 2 riguarderà la modellazione dei fotorivelatori. Dopo una descrizione della caratterizzazione dei rivelatori verrà presentato un modello matematico per il fotodiodo a valanga (APD), il diodo a valanga a fotone singolo (SPAD) e per il fotomoltiplicatore al silicio (SiPM). Questi modelli porteranno a un confronto delle prestazioni tra i rivelatori attraverso un nomogramma. Alla luce di questi risultati verrà presentato un prototipo di fotocamera SPAD 5 × 5 a pixel singolo, per misura del tempo di volo. Verranno discussi chip, sistema e misurazioni. Il capitolo 3 propone metodi digitali e analogici per discriminare la luce di fondo, in modo da aumentare il rapporto segnale/rumore. Verranno proposti vari algoritmi e architetture per applicazioni single-shot e multi-shot. Infine, uno di questi metodi sarà utilizzato in un prototipo di chip per applicazioni industriali. Verranno mostrati il sistema e le misure. Il capitolo 4 presenta le simulazioni e la modellazione di un nuovo tipo di SiPM ibrido digitale e analogico con circuiti di reiezione del fondo su chip. Nella prima fase verranno mostrate le prestazioni, con i parametri indicati e poi verranno aggiunti miglioramenti in modo da adattare i parametri alle specifiche target per ottenere prestazioni migliori. Alla fine, il prototipo del sistema e i risultati ottenuti verranno mostrati e confrontati con quello previsto. Il capitolo 5 illustra uno dei tanti lavori collaterali di questo dottorato di ricerca su un convertitore time to digital multicanale (TDC) implementato in un sistema FPGA (field programmable gate array).