Elettronica per abilitazione ultraveloce in gated mode di rivelatori SPAD

This thesis project aims at designing and characterizing a single-photon counting module, based on ultra-fast gating of silicon SPAD detectors. Improvements offered by this gating mode (with respect to the classic free-running mode) are presented together with a brief description of some applications where it can be successfully exploited (functional near infrared spectroscopy, STED microscopy and quantum information). In the design section, every building block of the instrument is described in terms of schematics, component choice and sizing, with a focus on the development of the pulse generator, the front-end circuit and the low-jitter avalanche detection circuit. The developed system has been fully characterized, obtaining outstanding performance: rise and fall times less than 150 ps, maximum repetition rate up to 80 MHz, uniform detection efficiency over the whole gate window and temporal resolution on photon arrival time less than 50 ps FWHM (using a 20 µm active area standard-CMOS SPAD). The module features also a compact form-factor, high reliability and ease of use.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è la realizzazione di un modulo per il conteggio di singoli fotoni, operante in gated-mode, per l’abilitazione ultra-veloce di fotorivelatori SPAD in silicio. Vengono presentate le caratteristiche della tecnica fast-gating ed i suoi vantaggi rispetto alla classica TCSPC e sono illustrate alcune delle applicazioni in cui essa viene impiegata (spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso, microscopia STED, studio dei segnali di luminescenza da quantum dots). Nella parte di progetto viene spiegato il funzionamento di tutte le componenti del modulo, soffermandosi in particolare sul progetto dell’impulsatore ultra-veloce, del circuito di front-end e dell’elettronica a basso jitter per la rivelazione della valanga. La realizzazione è seguita da una fase di caratterizzazione sperimentale del sistema, nella quale sono state verificate le funzionalità elettriche e le prestazioni raggiunte. I risultati ottenuti si collocano ai vertici dello stato dell’arte, con fronti di abilitazione del fotorivelatore con durata inferiore ai 150 ps, frequenza di ripetizione superiore a 80 MHz, efficienza di fotorivelazione uniforme all’interno dell’intera finestra di gate e risoluzione temporale sull’arrivo dei fotoni inferiore ai 50 ps (utilizzando uno SPAD realizzato in tecnologia standard CMOS con diametro dell’area attiva di 20 µm). Il sistema è inoltre caratterizzato da dimensioni compatte, elevata affidabilità e semplicità di utilizzo, anche da parte di utenti non esperti.