Hardware implementation of a compact, stand-alone single-channel SiPM detection module for ultra-fast and distorsion-free TCSPC applications

Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) is a key digital technique for high precision time-resolved measurements in fields such as biomedical imaging, remote sensing, and quantum optics. Despite its widespread adoption, conventional TCSPC implementations are constrained by two major limitations: the need to operate at low photon count rates to mitigate pile-up distortion, which severely limits acquisition efficiency in high-speed applications and the reliance on bulky external instrumentation for signal conditioning and processing. This work presents a compact single-photon single-channel detection module that overcomes both limitations by integrating the analog front-end and the digital signal processing chain within a stand-alone architecture. In contrast to conventional setups based on external time taggers and processing units, the proposed solution combines photon detection, pulse conditioning, and time-to-digital conversion within a compact form factor, enabling deployment in space-constrained environments such as intraoperative tumor margin delineation systems. The module features a high-speed analog front-end with sub-nanosecond dead time, coupled with a custom FPGA-based processing chain implementing a dedicated time-to-digital converter (TDC) and a state-of-art pile-up distortion correction algorithm. This combination effectively removes the low count-rate constraint typical of TCSPC systems, enabling reliable operation across a wide dynamic range, from low-photon- flux regimes to ultra-fast TCSPC conditions. As a result, the proposed system emerges as a competitive alternative to state-of-the-art analog techniques, while retaining the flexibility, scalability, and intrinsically higher precision of digital architectures.

La Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) è una tecnica digitale di riferimento per misure temporali ad alta precisione in ambiti quali l’imaging biomedico, remote sensing e ottica quantistica. Nonostante la sua ampia diffusione, le implementazioni convenzionali della TCSPC risultano limitate da due criticità principali: la necessità di operare a basso count rate fotonico per mitigare la distorsione di pile-up, con una con seguente drastica riduzione dell’efficienza di acquisizione nelle applicazioni ad alta velocità, e la dipendenza da strumentazione esterna per il condizionamento e l’elaborazione del segnale. Questa tesi presenta un modulo compatto di rivelazione a singolo canale e a singolo fotone che supera entrambe le limitazioni mediante l’integrazione del front-end analogico e della catena di elaborazione digitale del segnale all’interno di un’architettura autonoma. A differenza delle configurazioni convenzionali basate su time tagger e unità di elaborazione esterne, la soluzione proposta combina la rivelazione dei fotoni, il condizionamento degli impulsi e la conversione tempo-digitale in un sistema compatto, rendendo possibile il suo impiego in contesti caratterizzati da vincoli di spazio, quali i sistemi per la delineazione intraoperatoria dei margini tumorali. Il modulo integra un front-end analogico ad alta velocità con tempo morto sotto al nanosecondo, accoppiato a una catena di elaborazione personalizzata basata su FPGA che implementa un convertitore tempo digitale (TDC) dedicato e un algoritmo di correzione della distorsione da pile-up. Questa combinazione consente di superare il vincolo dei bassi tassi di conteggio tipico dei sistemi TCSPC, garantendo un funzionamento affidabile su un ampio spettro di applicazioni, da quelle a basso count rate fotonico fino a quelle ultra-veloci. Di conseguenza, il sistema proposto si configura come un’alternativa competitiva alle tecniche analogiche allo stato dell’arte, mantenendo al contempo la flessibilità, la scalabilità e la precisione intrinsecamente superiore delle architetture digitali.