Unità di controllo con FPGA e mini computer per modulo di rivelazione di singoli fotoni infrarossi

An increasing number of applications require devices capable of detecting very weak (down to the single photon level) and extremely fast pulses of light. Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs), characterized by a high photon detection efficiency and a good time resolution, are a very promising response to these requests. For near infrared wavelengths, InGaAs/InP devices have been developed, and show a good efficiency from 900nm to 1700nm. However, due to a strong thermal generation and to the afterpulsing phenomenon, the sensor has to be cooled and enabled only in precise time instances (gated-mode) and, after each photon detection, has to be kept off for a time adjustable in the order of microseconds. The aim of this thesis work is to develop the new version of a detection module based on InGaAs/InP SPADs, characterized by a new user interface, high flexibility and performance. In particular an FPGA device has been used to obtain a detector gate window configurable in terms of width. Also some counters have been implemented within the FPGA to measure the photons detected by the SPAD, the repetition rate of the gate window, etc. Concerning the programmability of the system, it has been used a user interface with a touch screen LCD, some buttons and input/output peripherals, all managed by a mini computer, which also offers the possibility of a remote configuration of the module. The measures carried out show good results in terms of timing jitter of the gate window width, perfectly in design specification, thanks also to the careful design of the printed circuit board.

Sempre più applicazioni richiedono dispositivi capaci di rivelare impulsi luminosi molto deboli (a livello di singolo fotone) ed estremamente veloci. I fotodiodi a valanga a singolo fotone (Single-Photon Avalanche Diode, SPAD), contraddistinti da alta efficienza di rivelazione e ottima risoluzione temporale, sono una soluzione molto promettente a tali richieste. Per le lunghezze d’onda nel vicino infrarosso sono stati sviluppati Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) in InGaAs/InP che hanno buona efficienza da 900 nm a 1700 nm. Tuttavia, a causa di un’elevata generazione termica e del fenomeno di afterpulsing il sensore deve essere raffreddato e abilitato solo in determinati temporali (modalità gated) e, dopo ogni fotone rivelato, deve essere disabilitato per un tempo regolabile dell’ordine dei microsecondi. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è lo sviluppo di una nuova versione di un modulo di rivelazione basato su SPAD InGaAs/InP caratterizzato da una nuova interfaccia utente, elevata flessibilità e alte prestazioni. In particolare, per realizzare la finestra di abilitazione del fotorivelatore di durata programmabile è stato impiegato un dispositivo FPGA. Sono stati altresì integrati nell’FPGA alcuni contatori in grado di misurare i fotoni rivelati dallo SPAD, la frequenza di ripetizione delle finestre di gate, ecc. Per quanto riguarda la programmabilità del sistema, è stata utilizzata un’interfaccia utente composta da un display LCD touch screen, da alcuni pulsanti e da periferiche di input/output, il tutto gestito da un mini computer che offre anche la possibilità di una configurazione remota del modulo. Le misure effettuate hanno dimostrato buoni risultati in termini di jitter temporale della durata della finestra di abilitazione, perfettamente in specifica di progetto, grazie anche all’attenta progettazione della scheda.