Free running single photon detection based on a negative feedback INGAAS APD

Il conteggio di singoli fotoni tramite single photon avalanche diode (SPAD) in InGaAs/InP operanti nella terza finestra telecom (1550 nm), è affetto dall’afterpulsing. Tale effetto corrisponde alla generazione di impulsi spuri, costituiti da valanghe spontaneamente innescatesi in seguito alla comparsa di una valanga provocata da un fotone incidente. Questo fenomeno è dovuto al rilascio di portatori intrappolati nella regione di moltiplicazione del diodo. La probabilità di intrappolamento dipende da quanta carica scorre attraverso il diodo durante una valanga. L’afterpulsing può dunque essere mitigato limitando la durata della valanga; ciò è possibile, o polarizzando il diodo solo all’interno di una breve finestra temporale, oppure utilizzando circuiti rapidi (attivi o passivi) che arrestino rapidamente tale valanga. Nei Negative Feedback Avalanche Diodes (NFAD) un resistore, costituito da un film sottile integrato col diodo, garantisce una retroazione negativa passiva in grado di arrestare rapidamente la valanga. Tale diodo, inserito in un apposito circuito, è stato analizzato per determinarne le caratteristiche principali, quali efficienza, rumore, risoluzione temporale e afterpulsing. In seguito abbiamo sviluppato un set-up controllato da un FPGA (field–programmable gate array) in grado di effettuare la completa caratterizzazione del dispositivo. Tale set-up permette di caratterizzare, in particolare, l’effetto dell’afterpulsing a partire da condizioni iniziali note: l’impulso laser è applicato al diodo solo se in precedenza, per un dato intervallo di tempo, non sono state rilevate delle valanghe. In seguito, se l’impulso provoca una valanga, i successivi afterpulses sono registrati in funzione del tempo. E’ possibile sia registrare solo gli afterpulses primari, sia gli afterpulses degli afterpulses. Infine, abbiamo realizzato un circuito esterno in grado di fissare un tempo morto in seguito ad ogni detezione di una valanga, per limitare l’impatto dell’afterpulsing; con tale circuito sono state poi registrate misure di efficienza, per valutare l’impatto dei diversi tempi morti utilizzati e per mostrarne l’effetto nella soppressione dell’afterpulsing.