Integrated photodetector front-end for ultrafast Time-Correlated Single-Photon Counting systems

In recent years, Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) has gained significant prominence across the chemical, medical, and biomedical sectors, particularly in appli- cations such as Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) and single-molecule spectroscopy. Although high precision is achieved by TCSPC systems in the reconstruc- tion of optical waveforms, the acquisition speed has been historically limited to avoid pile-up distortion. Traditionally, the photon count rate is restricted to values below 5% of the excitation rate, corresponding to an overall count rate of few Mcounts/s in the best case. A new methodology presented in 2023 has demonstrated the potential to extend the per- formance of the system well beyond these classical statistical constraints. Based on the measurement of both photon times of arrival and system status information at the same time, this new approach removes all previous constraints on speed. To exploit its poten- tial, a new generation of ultra-fast precise electronics is required, with particular attention to the dead time, which plays a crucial role for enabling real-time imaging. To this aim, in this thesis an ultra-fast integrated front-end was developed to minimize dead time while contributing with nearly negligible statistical jitter of only 1.91 ps (rms) to the overall system. The proposed solution utilizes a Mini-3D-dSiPM architecture (i.e. a digital silicon photomultiplier that leverages advanced 3-D stacking technology). By the employment of an optimized array of only 9 SPAD cells, parasitic capacitances are drastically mitigated, and the complexity of the readout structure is significantly reduced. The system integrates 9 independent quenching circuits, the outputs of which are pro- cessed by a high-frequency OR logic network specifically engineered to maximize through- put to its theoretical limit. To compensate for the dynamic fluctuations in the effective photon detection efficiency, a dedicated Counting Branch was implemented in parallel. This module samples the instantaneous state of the SiPM, providing the essential data for subsequent FPGA processing to ensure the flawless operation of the algorithm. Remarkable performance metrics are achieved by the realized integrated circuit, which re- duces the system dead time to an unprecedented 250 ps, a result approximately three times superior to the current state-of-the-art for solid-state photodetectors. Furthermore, the ii | Abstract single-cell recovery is characterized by staggering quenching and reset times of 350 ps and 450 ps, respectively. These values represent a significant milestone, as they drastically reduce correlated noise and enable the system to operate at unprecedented repetition rates. These results demonstrate that a dedicated front-end integrated circuit enables high-speed, real-time FLIM measurements, representing a transformative advancement in the field of high-speed biomedical diagnostics.

Negli ultimi anni, la tecnica di Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) ha assunto un rilievo significativo nei settori chimico, medico e biomedicale, in particolare in applicazioni quali la microscopia a scansione di fluorescenza (FLIM) e la spettroscopia a singola molecola. Sebbene i sistemi per TCSPC consentano la ricostruzione di forme d’onda ottiche con elevata precisione, la velocità di acquisizione è stata storicamente limi- tata per evitare la distorsione da pile-up. Tradizionalmente, la frequenza di conteggio dei fotoni è limitata a valori inferiori al 5% della frequenza di eccitazione, il che corrisponde, nel migliore dei casi, a una frequenza di conteggio complessiva di pochi Mcounts/s. Una nuova metodologia presentata nel 2023 ha dimostrato il potenziale per estendere le prestazioni del sistema ben oltre questi classici vincoli statistici. Basandosi sulla mis- urazione simultanea sia dei tempi di arrivo dei fotoni che delle informazioni sullo stato del sistema, questo nuovo approccio rimuove ogni precedente vincolo sulla velocità. Per sfrut- tarne appieno il potenziale, è necessaria una nuova generazione di elettronica ultra-veloce e precisa, con particolare attenzione al tempo morto, il quale gioca un ruolo cruciale per consentire l’imaging in tempo reale. A tal fine, in questa tesi è stato sviluppato un front-end integrato ultra-veloce per min- imizzare il tempo morto, fornendo al contempo un contributo di jitter statistico quasi trascurabile, pari a soli 1.91 ps (rms), al sistema complessivo. La soluzione proposta utilizza l’architettura Mini-3D-dSiPM (ovvero un fotomoltiplicatore al silicio digitale che sfrutta tecnologie avanzate di integrazione 3D). Grazie all’impiego di un array ottimizzato di sole 9 celle SPAD, le capacità parassite sono drasticamente abbassate e la complessità della struttura di lettura risulta significativamente ridotta. Il sistema integra 9 circuiti di quenching indipendenti, le cui uscite sono elaborate da una rete logica OR ad alta frequenza, progettata specificamente per massimizzare il through- put fino al suo limite teorico. Per compensare le fluttuazioni dinamiche dell’efficienza di rilevamento dei fotoni, è stato implementato in parallelo un Counting Branch dedi- cato. Questo modulo campiona lo stato istantaneo del SiPM, fornendo i dati essenziali per la successiva elaborazione tramite FPGA, garantendo così il corretto funzionamento dell’algoritmo. Il circuito integrato realizzato raggiunge metriche prestazionali notevoli, riducendo il tempo morto del sistema a un valore senza precedenti di 250 ps, un risultato circa tre volte migliore all’attuale stato dell’arte per i fotorivelatori a stato solido. Inoltre, il recupero della singola cella è caratterizzato da tempi di quenching e reset sbalorditivi, rispettiva- mente di 350 ps e 450 ps. Tali valori rappresentano una pietra miliare significativa, poiché riducono drasticamente il rumore correlato e consentono al sistema di operare a frequenze di ripetizione senza precedenti. Questi risultati dimostrano che un circuito integrato di front-end dedicato permette misurazioni FLIM in tempo reale ad alta velocità, rappresen- tando un avanzamento trasformativo per il campo della diagnostica biomedicale ad alte prestazioni.