Implementation and characterization of 64-channel systems for counting and timing operation

The Time Correlated Single Photon Counting technique (TCSPC) employ the measurement of optical signals obtained after the detection of single photons to produce electrical output signals. Unlike the traditional approaches, TCSPC provides measurements with higher precision and temporal resolution levels, specially in case of low-intensity light situations. By a periodical stimulation of a sample by a laser, the arrival times of the detected photons are tracked to elaborate a histogram which represents the probability of photon emission by the target over the time. The most commonly used devices in TCSPC systems are Photomultiplier Tubes (PMT) and Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). Even with the good levels of precision achieved, of the order of picoseconds, these systems present some limitations as the Dark Count Rate (DCR), which generates additional undesirable counts affecting the system noise. To minimize it, the working temperature should be carefully selected. For several applications which require additional parameters such as wavelength or spatial coordinates linked to each detected photon, multi-channel TCSPC systems are developed. They are also employed to implement another technique known as “Time-tag” which records information about each photon with respect to the beginning of the measurement (macro-time), allowing to calculate the auto-correlation functions and the detection of changes in light intensity. In this thesis, it will be described in details the multi-channel systems by the characterization of two different modules. The first module performs photon counting operations while the second one combines counting and timing operations, thereby increasing the versatility in a wider application range. As the second module presents a higher level of complexity, its characterization will be developed in a deeper way, paying special attention on the temporal signal dispersion and the crosstalk between channels. This last aspect becomes especially significant in system that employees a large number of channels working in parallel, as is the case in our scenario.

La tecnica TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting) si basa nella misura dei segnali ottici nel rilevamento dei singoli fotoni e la loro conversione in segnali elettrici. Rispetto ai metodi tradizionali, la tecnica TCSPC fornisce una misura con maggiore precisione e risoluzione temporale, soprattutto nelle situazioni con luce a bassa intensità. La tecnica utilizza un laser che stimola periodicamente un campione, monitorando i tempi di arrivo dei fotoni emessi è possibile costruire un istogramma che rappresenta la probabilità di emissione dei fotoni del campione nel tempo. I dispositivi più utilizzati nei sistemi TCSPC sono i Photomultiplier Tubes (PMT) e i Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). Nonostante gli elevati livelli di precisione ottenuti, dell’ordine dei picosecondi, il sistema presenta alcune limitazioni, come ad esempio l conteggi di buio (DCR) che generano eventi indesiderati generando rumore nella misura. Per limitare il DCR, si deve selezionare una temperatura di operazione adeguata. Per applicazioni che richiedono parametri aggiuntivi come la lunghezza d’onda o le coordinate spaziali, sono stati sviluppati sistemi TCSPC multicanale. Questi sistemi sono anche utilizzati per implementare una tecnica chiamata “Time-tag” che registra l’informazione dei fotoni rilevati rispetto al tempo di inizio della misura (macro-time), consentendo ad esempio il calcolo delle funzioni di auto-correlazione e di cambiamenti d’intensità luminosa nel tempo. Durante lo sviluppo di questo progetto si approfondiscono i dettagli dei sistemi multicanali TCSPC, presentando e caratterizzando due moduli multicanali. Il primo modulo si occupa di effettuare operazioni di conteggio di fotoni mentre il secondo effettua operazioni sia di conteggio sia di timing, permettendo una maggiore versatilità e quindi un maggiore range di possibili applicazioni. Siccome il livello di complessità di questo secondo modulo è decisamente maggiore rispetto al primo, la sua caratterizzazione viene fatta in un modo più approfondito, con speciale attenzione alla dispersione temporale dei segnali e al crosstalk tra i canali. Questo ultimo parametro diventa di particolare importanza quando si lavora con un elevato numero di canali in parallelo, come succede in questo scenario.