Microelectronic instrumentation for multi-channel time-correlated single photon counting

The precise measurement of very short time-intervals is of essential importance in many fields of science, medicine, engineering and industry. Many applications in medicine, biology and chemistry make use of precise time-interval measurements in order to reconstruct very-low intensity fast-changing optical waveforms. In this applications the optical signals are very faint, consisting of just few photons per cycle, thus the discrete nature of the signal itself prohibits analog sampling. Furthermore, in many cases the signals are very fast, therefore a photodetector with very high bandwidth is required if analog sampling is to be employed. To overcome those limitations, the reconstruction of the time-resolved optical waveform is achieved by Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique based on the detections of single photons that compose the optical signal and on the measurement of their time of arrival within the signal period. A single-photon detector, usually a Photomultiplier Tube (PMT) or a Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), and a time-measurement device, i.e. a Time-to-Digital Converter (TDC), represent the core of the TCSPC setup. The general requirements of TCSPC setups are very demanding: the time-measurement precision of the systems has to be very high (tens of picoseconds or less) with very low differential non-linearity (DNL around 1% LSB or less). Several commercial TCSPC modules exist, however, those setups are bulky and consumes a lot of power, thus limiting the number of measurement channels to one or very few. On the other hand, dense arrays of single-photon detectors and time-measurement circuits also exist, however those arrays do not reach nor the resolution nor the linearity required by many TCSPC applications. However, many application would largely benefit from the availability of high-performance compact multi-channel TCSPC systems. The current luck of those systems and their potential to provide important improvements in many fields, such as medicine, biology and chemistry, were the main drivers of this Ph.D. research, setting the main objective of the work: the design and development of high-performance, low-power, compact multi-channel TCSPC instrumentation. The first step in this direction was the design of a new TDC chip capable of reaching very-high performances and with the architecture being easily expandable into an array of TDCs. This is achieved conceiving and architecture based on global biasing and reference generation electronics and time-measurement circuitry. The compact, 250 µm x 250 µm, area time-measurement circuitry represents the basic building block of the chip and it is the part which can be easily replicated in an multi-channel version, thus representing the measurement channel. On the other hand, the rest of the chip, which is more area consuming, can be shared by all channels. The architecture of the measurement channel is based on a coarse counter and a couple of two-stage interpolators that exploit the cyclic sliding scale technique in order to improve the conversion linearity. The interpolators are based on a new coarse-fine synchronization circuit and a new single-stage Vernier delay loop fine interpolation. Fabricated in a standard cost-effective 0.35 µm CMOS technology the TDC chip reaches a dynamic range of 160 ns, 17.2 ps precision and Differential Non-Linearity better than 0.9% LSB rms. The following step was the development of a compact stand-alone, easily-employable, TDC module having the chip as the core. The instrument reaches timing-precision of 15 ps rms (i.e. 36 ps FWHM) and conversion Differential Non-Linearity (DNL) better than 1.5% LSB rms, suitable for demanding TCSPC applications, within a compact 6 cm x 6 cm x 8 cm case and low 3.3 W power consumption. Therefore, the module reaches high-performances with significant improvements in terms of dimensions and power-consumption in respect to the state-of-the-art commercial TCSPC timing-modules. The USB link to the remote PC allows the easy setting of measurement parameters, the fast download of acquired data, and their visualization and storing via an user-friendly software interface, making the module easily employable in any measurement setup. The final step in demonstrating a compact high-performance multi-channel TCSPC system was the development of a 16x1 linear array chip of SPADs and TDCs and a compact module employing it. The 16x1 array chip integrates 20 µm Single-Photon Avalanche Diodes (SPAD) and 15 bit Time-to-Digital Converters, reaching better than 1% LSB rms DNL, 70 ps FWHM timing precision, with 10 ps LSB and 160 ns full-scale range. Therefore, the array chip reaches high-performances suitable for demanding TCSPC applications and embedded into a compact 6 cm x 6 cm x 10 cm module it represent a state-of-the-art multichannel TCSPC system.

La possibilità di misurare con estrema precisione gli intervalli di tempo molto corti è essenziale in molti campi della scienza, medicina, ingenerai ed industria. Molte applicazioni in medicina, biologia ed chimica si basano sulle misure temporali per ricostruire le forme d’onda ottiche di bassa intensità. In queste applicazioni, essendo i segnali ottici molto deboli, composti da pochi fotoni per ciclo, la natura discreta del segnale proibisce il campionamento analogico del segnale. In molti casi questi segnali risultano estremamente veloci, richiedendo dei fotorilevatori con bande molto estese per il campionamento analogico. Per superare queste limitazioni la ricostruzione temporale della forma d’onda ottica è fatta usando la tecnica “Time-Correlated Single Photon Counting” (TCSPC) basata sulla rilevazione dei singoli fotoni che compongono il segnale ottico e sulla misura del loro tempo d’arrivo dentro il periodo del segnale. Quindi, un rilevatore di singoli fotoni, Photomultiplier Tube (PMT) o Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), ed un dispositivo capace di misurare con precisione gli intervalli temporali, cioè un Time-to-Digital Converter (TDC), rappresentano il nucleo di un setup per TCSPC. I requisiti tecnici della TCSPC sono molto stringenti: è richiesta una elevata precisione di misura degli intervalli di tempo (decine di picosecondi o meno) con una linearità estremamente alta (DNL di 1% LSB o meno). In commercio esistono dei moduli per TCSPC, però questi moduli sono ingombranti e consumano molta potenza, limitando cosi il numero di cannali di misura utilizzabili in un setup. Dall’altra parte esistono anche le matrici di SPAD e circuiti di misura del tempo molto dense, però esse non sodisfano le specifiche richieste da molte applicazione di TCSPC. L’attuale mancanza di moduli multi-cannale compatti per TCSPC e i potenziali benefici che questi dispositivi potrebbero portare in molti ambiti della medicina, biologia e chimica sono stati i motivi principali di questa ricerca, ponendo l’obiettivo finale: sviluppo della strumentazione multi-cannale, compatta, con prestazioni elevate per il TCSPC. Il primo passo in questa direzione è stato il sviluppo di un’architettura del TDC capace di raggiungere elevate prestazioni ed facilmente espandibile in una matrice. Il prototipo del chip è stato fabbricato in una tecnologia CMOS di 0.35 µm ed ha raggiuto le seguenti prestazioni: range di misura di 160 ns con la precisione della misura temporale di 17.2 ps e una DNL minore di 0.9% LSB rms. Basandosi su questo chip, il passo successivo è stato il sviluppo di un modulo TDC compatto ed facilmente utilizzabile nei setup di misura TCSPC. Questo strumento raggiunge la precisione di misura temporale di 15 ps rms (cioè 36 ps FWHM) DNL migliore 1.5% LSB rms con le dimensioni molto compatte di 6 cm x 6 cm x 8 cm e consumando solo 3.3 W. Raggiungendo prestazioni adatte alle applicazioni del TCSPC, questo strumento ha dei grandi vantaggi in termini di dimensioni e consumo di potenza rispetto ai moduli presenti in commercio. Il passo finale è stato il sviluppo di un chip con 16 canali con fotorilevatori SPAD e TDC ed il modulo contenente questo chip. Il chip contiene i SPAD con 20 µm di diametro di area attiva ed raggiunge la precisione della misura del tempo di arrivo dei fotoni di 70 ps FWHM. Raggiungendo le elevate prestazioni richieste da TCSPC ed essendo il modulo di dimensioni 6 cm x 6 cm x 10 cm, esso rappresenta il stato dell’arte per quanto riguarda i sistemi multi-canale per TCSPC.