Single photon detection for the near infrared wavelength range

In last years, single-photon detection in the near-infrared wavelength range has become more and more important when very faint or ultra-fast optical signals have to be measured. Advanced applications can be found in many fields, such as measurement of fluorescence decays (in physics, chemistry and biology), single molecule detection, characterization of new materials, non invasive testing of VLSI circuits, single-photon source characterization, fiber optics testing, laser ranging in space and telemetry, quantum cryptography, quantum computing and studies in quantum physics. Different kinds of single-photon detectors have been developed in the past. Among the others, solid-state detectors have the advantage of high reliability and robustness, and they can be very compact and portable. Single-photon avalanche diodes (SPADs) are very sensitive and are characterized by high photon detection efficiency and good time resolution. In order to be sensitive in the near-infrared wavelength range, InGaAs/InP SPADs can be employed. Recently first detection modules based on InGaAs/InP SPADs have been developed. The latters, in fact, need a series of circuits in order to be properly operated. However state-of-the-art instruments do not allow to configure all operating parameters, and therefore cannot be exploited in some applications. The present Ph.D. dissertation is focused on the design and development of a novel high-end near-infrared single-photon detection module capable of performing photon counting and photon timing measurements. This research was also supported by Micro Photon Devices, the spin-off of Politecnico di Milano that is interested in commercializing this kind of instrument. The InGaAs/InP single-photon detection module has been designed to be as flexible as possible, in order to fit the requirements of most of the near infrared applications. An extensive characterization proved outstanding performance, superior with respect to other state-of-the-art single-photon detection modules, thus becoming an enabling technology to perform measurements once considered unrealizable, as proved by a series of successful international collaboration with other research groups. In the following, a brief description of the chapters of the present dissertation is reported. The first chapter presents and analyzes, in terms of requirements, different near-infrared single-photon counting applications; moreover, the operating principle of currently available single-photon detectors is described and their performance are compared. The second chapter presents the near-infrared single-photon avalanche diodes, particularly focusing on InGaAs/InP ones. A typical structure of such devices is described, and the dependences of their main parameters (i.e. photon detection efficiency, noise and time resolution) on the operating conditions (e.g. temperature and excess bias voltage) are analyzed. Finally, it presents three state-of-the-art detection modules employing such detectors, describing their performance and highlighting what could be improved to comply with the requirements of the different applications. The third chapter describes the design of a novel high-end detection module for near-infrared photon counting and timing, aimed at exploiting the best performance of InGaAs/InP SPADs in order to match the most demanding application requirements. Through all steps of the design and development the goal was to offer high flexibility of the overall instrument and full configurability of all main system parameters. The different circuital solutions adopted in the project are described in detail. The fourth chapter presents the extensive characterization carried out to prove the new state-of-the-art performance of the detection module. First, the characterization of the gate generation in terms of jitter performance and linearity of the gate width is described, then the performance of the whole instrument is presented, in terms of afterpulsing, temporal distribution of dark counts and temporal response to a pulsed laser. The fifth chapter shows how the detection module has been exploited in real applications, such as time-resolved diffuse optical spectroscopy, single-photon source characterization and confocal photoluminescence studies from lithographed semiconducting nanostructures, thanks to different international collaborations with other research groups. The excellent results obtained, thanks also to the developed detection module, are reported.

La rivelazione di singoli fotoni nel campo di lunghezze d’onda del vicino infrarosso è divenuta una tecnica sempre più importante e performante da utilizzare quando occorre misurare segnali luminosi molto deboli o molto veloci. Tale tecnica ha trovato differenti applicazioni in diversi campi, come ad esempio nella misura di decadimenti fluorescenti (in campo fisico, chimico e biologico), nello studio di singole molecole, nella caratterizzazione di nuovi materiali, nel test non invasivo dei moderni circuiti integrati, nella caratterizzazione di sorgenti di singoli fotoni, nel test delle fibre ottiche, nella telemetria per mezzo di impulsi laser, nella crittografia quantistica, nel quantum computing e in studi sulla meccanica quantistica. Diversi tipi di rivelatori di singoli fotoni sono stati sviluppati in passato. Tra gli altri, i rivelatori allo stato solido hanno il vantaggio di possedere un’alta affidabilità e robustezza e possono avere dimensioni molto compatte ed essere facilmente trasportabili. I diodi a valanga per singoli fotoni (single-photon avalanche diodes, SPADs) sono molto sensibili e possiedono un’alta efficienza di rivelazione ed un’elevata risoluzione temporale. Per essere sensibili nel campo di lunghezze d’onda del vicino infrarosso possono essere impiegati gli SPAD in InGaAs/InP. Recentemente sono stati sviluppati i primi moduli di rivelazione basati su SPAD in InGaAs/InP. Tali rivelatori, infatti, necessitano di una serie di circuiti per poter essere utilizzati ed operati correttamente. Comunque i moduli allo stato dell’arte non permettono di configurare tutti i parametri di funzionamento, precludendone l’utilizzo in alcune applicazioni. Il lavoro di ricerca qui descritto è stato focalizzato sul progetto e sullo sviluppo di un nuovo modulo di rivelazione di singoli fotoni nel vicino infrarosso che permettesse di effettuare misure sia di photon counting sia di photon timing. Tale ricerca è stata anche supportata da Micro Photon Devices, lo spin off del Politecnico di Milano, che è interessato a commercializzare questo tipo di strumento. Il modulo InGaAs/InP di rivelazione di singoli fotoni è stato progettato per essere il più flessibile possibile, in maniera tale da adattarsi ai requisiti della maggior parte delle applicazioni nel vicino infrarosso. Un’ampia caratterizzazione ha provato le eccellenti prestazioni dello strumento, superiori a quelle degli altri moduli di rivelazione di singoli fotoni che rappresentavano lo stato dell’arte, diventando così la tecnologia abilitante necessaria per effettuare misure una volta considerate irrealizzabili, come provato da una serie di proficue collaborazioni internazionali con altri gruppi di ricerca. Di seguito vengono brevemente descritti i vari capitoli di questa tesi. Nel primo capitolo vengono presentate ed analizzate, in termini di requisiti, diverse applicazioni di conteggio di singoli fotoni nel vicino infrarosso; inoltre vengono analizzati il funzionamento e le prestazioni dei principali rivelatori di singoli fotoni attualmente disponibili. Nel secondo capitolo vengono presentati i diodi a valanga a singolo fotone per il vicino infrarosso, concentrandosi in particolare su quelli in InGaAs/InP. Viene descritta una struttura tipica di tali dispositivi e vengono analizzate le dipendenze dei loro principali parametri (vale a dire efficienza di rivelazione, rumore e risoluzione temporale) al variare delle condizioni operative (per esempio al variare della temperatura e della tensione in eccesso applicata). Infine vengono presentati tre moduli di rivelazione allo state dell’arte che impiegano tali rivelatori, descrivendone le prestazioni e sottolineando cosa potrebbe essere migliorato per rispettare i requisiti delle diverse applicazioni. Nel terzo capitolo viene descritta la progettazione di un nuovo modulo di rivelazione per photon counting e timing nel vicino infrarosso, finalizzata all’ottenimento delle migliori prestazioni degli SPAD in InGaAs/InP per rispettare i requisiti più stringenti delle diverse applicazioni. Durante l’intera fase di progetto ed implementazione lo scopo era di offrire un’elevata flessibilità allo strumento e completa configurabilità di tutti i principali parametri di funzionamento del sistema. Vengono descritte nel dettaglio le diverse soluzioni circuitali adottate nel progetto. Nel quarto capitolo viene presentata un’ampia caratterizzazione effettuata per dimostrare le prestazioni allo stato dell’arte del modulo di rivelazione realizzato. Inizialmente viene descritta la caratterizzazione della generazione del gate in termini di prestazioni di jitter e linearità della larghezza di gate, successivamente vengono presentate le prestazioni dell’intero strumento in termini di afterpulsing, distribuzione temporale dei conteggi di buio e risposta temporale ad un laser impulsato. Nel quinto capitolo viene mostrato come il modulo di rivelazione sia stato impiegato in applicazioni reali, quali la spettroscopia ottica risolta temporalmente, la caratterizzazione di sorgenti di singolo fotone e lo studio della fotoluminescenza confocale da nanostrutture di semiconduttore litografate, grazie a diverse collaborazioni internazionali con altri gruppi di ricerca. Vengono riportati gli eccellenti risultati ottenuti grazie all’utilizzo del modulo di rivelazione realizzato.