SPAD-based instrumentation for single-photon timing and counting applications

The research presented in this dissertation thesis has been developed within the SPADlab, a research group at Politecnico di Milano mainly focused on Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs), from the device design to in-field exploitation. SPADs have gained popularity over other single-photon detectors especially for the possibility to be fast gated (to time filter the incoming signal) and to precisely timestamp the detected photons (to measure their arrival time). The ability to detect single photons is a key feature in an increasing number of fields. Indeed, its scope is not limited to specific applications relying on single photons, such as quantum imaging, but extends to applications where a low signal is overwhelmed by background light, such as outdoor laser ranging, or in which faint excitation light is required not to damage a biological sample or harm a patient. After the implementation of the first SPADs in standard CMOS technology, researchers have been focusing on the design of large digital SPAD imagers. The front-end and processing electronics are following this path too, moving from off-chip data post-elaboration to progressively ‘smarter’ sensors including on-chip time-stamping and processing capabilities. During my research project, I have designed various electronic modules aiming at testing, characterizing, and exploiting several silicon multi-pixel SPAD chips with the main goal of acquiring optical signals through single-photon counting (SPC), time-correlated single-photon counting (TCSPC), and photon-coincidence detection. This thesis work introduces the characteristics and figures of merit of SPADs and SPAD arrays, with particular emphasis on their applications. After a general discussion about the FPGA-based modules for SPAD detectors and the methodologies and instrumentation applied to characterize the devices, six novel SPAD cameras are presented. These modules, conceived for portability and versatility, are stand-alone systems based on FPGA and USB 3.0 links to a laptop. They have shown remarkable improvements with respect to previous systems, in terms of programmability, stability, data transfer, power consumption, and heat dissipation. The performance of the chips, core of the modules, are reported and compared with the state-of-art. These novel SPAD cameras have triggered the interest of different international companies and research centers. In particular, the possibility to time-filter the incoming signal has been proven to be a highly desirable feature in Non-Line of Sight Light Detection and Ranging (NLOS LiDAR), and experiments at the ‘Institute of Photonic Sciences’ (ICFO), in Barcelona, have successfully proved the advantages of time-gated detectors in a novel Differential Interference Contrast (DIC) microscopy scheme. Two of the modules have been designed in the framework of the ‘Q-MIC’ European Horizon 2020 FET project. Their design has been optimized for quantum microscopy: high-detection efficiency, low noise, and fast readout. One of the two imagers introduces a novel detection scheme based on an event-driven read-out that allows achieving 100% duty cycle and it is easily scalable to higher resolution chips. However, due to issues in the chip electronics, the maximum detectable photon coincidence rate that we could demonstrate is limited to 1 kpair/s, while the theoretical saturation level for the event-driven architecture is around 3 Mpair/s. This value should be reached with a second version of the chip, with bug fixing. On the other hand, the second chip employs a more classical frame-based approach, with a row-skipping readout to optimize the frame rate. Measurements carried out by our partners at ICFO have proven the ability of this chip, when combined with a novel entangled photon source at 532 nm, to provide images of entangled photons roughly 5 orders of magnitude faster than what previously reported in literature. The same camera has been also employed in quantum setups for weak measurements at ‘Istituto Nazionale di Metrologia’ (INRIM), in Turin, successfully proving the advantages of using these specific modules instead of general-purpose photon detectors. Although SPADs are mostly exploited in photon-starved applications for their intrinsic high sensitivity, recently they have sparked interest also in high-rate scenarios since they can provide a wider dynamic range with respect to standard optical sensors. Thus, the SPADlab group has developed four different pixels with short dead time and low afterpulsing probability. Indeed, the intrinsic dead time, which limits the SPAD maximum count rate, hence the dynamic range, is one of the main drawbacks of SPADs with respect to linear detectors. This work presents the characterization of these chips, with a specific focus on high photon rate scenarios, eventually proving short and stable dead time with negligible afterpulsing probability. The scope of these chips is to broaden SPADs exploitations into applications where at present their use is still limited, such as quantum cryptography and computing, and single-photon imaging, all of which require high detection rates. Moreover, in collaboration with ‘Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico (IRCCS), Fondazione Don Carlo Gnocchi’ and ‘Istituto Auxologico Italiano’, we have developed a wearable device based on one of the above-mentioned high-count rate pixels. This device employs photoplethysmography (PPG), a technique that is typically used for detecting blood volume changes in the microvascular bed of tissue by exploiting low-intensity light traveling through biological tissues, and it operates in transmission mode, which is considered in literature more robust to disturbances than reflection mode. Our aim is to monitor blood oxygenation in patients affected by obstructive sleep apnea while having concurrently a PPG signal not affected by variation in oxygenation. We have developed a first prototype based on a SPAD chip to prove SPAD suitability in contact PPG. The device has been tested by performing various protocols on volunteers and showed reliable continuous measurements. Moreover, in order to ascertain the pros and cons of using a SPAD instead of photodiodes (detector of choice in PPG devices), we have also developed a second prototype based on photodiodes. Validation tests on volunteers proved the suitability of SPADs in contact PPG and the possibility of concurrently extracting SpO2 percentage and PPG traces independent of oxygen variations. Compared to traditional photodiodes, SPADs have higher sensitivity, are more robust to electronic noise, do not need analog front-ends, and are more suitable for miniaturization. This may lead to innovative applications, such as implanted PPG systems for long-term monitoring of SpO2 and pulse velocity.

La ricerca presentata in questa tesi è stata sviluppata all'interno dello SPADlab, un gruppo di ricerca del Politecnico di Milano che si occupa dello sviluppo di dispositivi basati su Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), dalla progettazione del sensore al suo utilizzo in diverse applicazioni. Gli SPAD hanno guadagnato popolarità rispetto ad altri rilevatori di fotoni singoli, soprattutto perchè possono essere abilitati velocemente (per filtrare nel tempo il segnale in ingresso) e possono fornire con precisione il tempo di arrivo dei fotoni. La capacità di rilevare singoli fotoni è una caratteristica chiave in un numero crescente di campi: il suo campo di utilizzo non è limitato a specifiche applicazioni che si basano su singoli fotoni (i.e., nel campo della quantistica), ma si estende ad applicazioni in cui un segnale debole è nascosto dalla luce di fondo o in cui è richiesta una luce di eccitazione ridotta per non danneggiare un campione. Dopo l'implementazione dei primi SPAD in tecnologie CMOS standard, i ricercatori si sono concentrati sulla progettazione di matrici multi-pixel. Anche il front-end e l'elettronica di elaborazione stanno seguendo questo percorso, passando dalla post-elaborazione dei dati off-chip a sensori progressivamente più "intelligenti", dotati delle capacità di registrare i tempi di arrivo ed elaborarli direttamente in chip. Durante il mio progetto di ricerca, ho progettato vari moduli elettronici con l'obiettivo di testare, caratterizzare e sfruttare diversi chip SPAD in silicio con l'obiettivo principale di acquisire segnali ottici tramite conteggi di singoli fotoni (SPC), time-correlated single-photon counting (TCSPC) e rilevamento fotoni coincidenti nel tempo. Questo lavoro di tesi introduce le caratteristiche degli SPAD e degli array SPAD, con particolare enfasi sulle loro applicazioni. Dopo una discussione generale sui moduli basati su FPGA per i rivelatori SPAD e le metodologie e la strumentazione applicate per caratterizzare i dispositivi, vengono presentate sei nuove telecamere SPAD. Questi moduli, concepiti per portabilità e versatilità, hanno mostrato notevoli miglioramenti rispetto ai sistemi precedenti, in termini di programmabilità, stabilità, trasferimento dei dati, consumo energetico e dissipazione del calore. Le prestazioni dei chip, cuore dei moduli, sono riportate e confrontate con lo stato dell'arte. Queste nuove telecamere SPAD hanno suscitato l'interesse di diverse aziende e centri di ricerca internazionali. In particolare, la possibilità di filtrare nel tempo il segnale in ingresso si è dimostrata una caratteristica altamente desiderabile in Non-Line of Sight Light Detection and Ranging (NLOS LiDAR) e esperimenti presso l'"Institute of Photonic Sciences" (ICFO), a Barcellona hanno dimostrato con successo i vantaggi dei rivelatori time-gated in un nuovo setup per Differential Interference Contrast (DIC) microscopy. Due dei moduli sono stati progettati nell'ambito del progetto FET europeo Horizon 2020 "Q-MIC". Il loro design è stato ottimizzato per microscopia quantistica: alta efficienza, basso rumore e lettura rapida. Uno dei due imager introduce un nuovo schema di rilevamento basato su una lettura event-based che consente di ottenere un duty cycle del 100% ed è facilmente scalabile a chip a risoluzione più elevata. Tuttavia, a causa di problemi nell'elettronica del chip, il massimo tasso di coincidenza di fotoni rilevabile che abbiamo potuto dimostrare è limitato a 1 kpair/s, mentre il livello di saturazione teorico per l'architettura event-driven è di circa 3 Mpair/s. Questo valore dovrebbe poter essere raggiunto con una seconda versione del chip. D'altra parte, il secondo chip utilizza un approccio più classico basato su frame, con una lettura selettiva per ottimizzare il frame rate. Le misure effettuate dai nostri partner dell'ICFO hanno dimostrato la capacità di questo chip, quando utilizzato in combinazione con una nuova sorgente di fotoni entangled a 532 nm, di fornire immagini di fotoni entangled circa 5 ordini di grandezza più velocemente di quanto precedentemente riportato in letteratura. La stessa fotocamera è stata impiegata anche per effettuare weak measurement presso l'Istituto Nazionale di Metrologia (INRIM) a Torino dimostrando con successo i vantaggi dell'utilizzo di questi moduli specifici al posto di sensori multi-purpose. Sebbene gli SPAD siano principalmente sfruttati in applicazioni in cui il segnale è molto debole, recentemente hanno suscitato interesse anche in scenari in cui sono necessari rilevamenti molto veloci poiché possono fornire una gamma dinamica più ampia rispetto ai sensori ottici standard. Pertanto, il gruppo SPADlab ha sviluppato quattro pixel con tempi morti brevi e bassa probabilità di afterpulsing. Infatti, il tempo morto intrinseco, che limita la massima velocità di conteggio, e quindi il range dinamico, è uno dei principali svantaggi degli SPAD rispetto ai rivelatori lineari. Questo lavoro presenta la caratterizzazione di questi chip, con un focus specifico su scenari ad alto tasso di fotoni, dimostrando tempi morti brevi e stabili con probabilità di afterpulsing trascurabile. Lo scopo di questi chip è quello di ampliare l’utilizzo degli SPAD in applicazioni in cui attualmente il loro uso è ancora limitato, come la crittografia e l'informatica quantistica e l'imaging a singolo fotone che richiedono tutti tassi di rilevamento elevati. Inoltre, in collaborazione con "Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico (IRCCS), Fondazione Don Carlo Gnocchi" e "Istituto Auxologico Italiano", abbiamo sviluppato un dispositivo indossabile basato su uno di questi pixel ad alta frequenza. Questo dispositivo utilizza la fotopletismografia (PPG), una tecnica che permette di rilevare le variazioni del volume sanguigno nel letto microvascolare del tessuto sfruttando luce a bassa intensità che viaggia attraverso i tessuti biologici, e funziona in trasmissione, considerata la modalità più robusta in letteratura. Il nostro obiettivo è quello di monitorare l'ossigenazione del sangue nei pazienti affetti da apnea ostruttiva del sonno avendo contemporaneamente un segnale PPG non influenzato dalla variazione dell'ossigenazione. Abbiamo sviluppato un primo prototipo basato su un chip SPAD per dimostrare l'idoneità degli SPAD in PPG a contatto. I test di validazione su volontari hanno dimostrato l'idoneità degli SPAD a PPG da contatto e la possibilità di estrarre contemporaneamente la percentuale di SpO2 e le tracce di PPG indipendentemente dalle variazioni di ossigeno. Al fine di accertare i pro ei contro dell'utilizzo di uno SPAD al posto dei fotodiodi (comunemente utilizzati in dispositivi PPG), abbiamo sviluppato un secondo prototipo basato sui fotodiodi. Rispetto ai fotodiodi tradizionali, gli SPAD hanno una maggiore sensibilità, sono più robusti al rumore elettronico, non necessitano di front-end analogici e sono più adatti alla miniaturizzazione. Ciò può portare ad applicazioni innovative, come sistemi PPG impiantati per il monitoraggio a lungo termine della saturazione e della pressione.