Single photon counting instrumentation for gated mode detection

The measurement of very faint and fast-changing light signals in the visible and near-infrared wavelength range with picosecond timing resolution has proven to be an effective technique to study different physical and biological structures, like biological tissues in functional brain imaging, optical mammography and molecular imaging, not to mention Fluorescence Lifetime Imaging, Fluorescence Correlation Spectroscopy, Quantum Information, LIDAR and many others. Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) is one of the most used techniques to measure fast light pulses at the single-photon level, due to its effectiveness, especially if coupled with Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs). SPAD detectors are becoming increasingly widespread in TCSPC setups thanks to their good Photon Detection Efficiency (PDE) (e.g. about 50% at 550 nm, higher than 15% at 800 nm) and low timing jitter (few tens of picoseconds). Moreover, a SPAD can be gated from OFF to ON in few hundreds of picosecond by analog modulation of its bias from below to above the breakdown voltage. A photon absorbed when the detector is OFF, i.e. biased below breakdown, does not trigger a self-sustaining avalanche, hence is not detected by the front-end circuit. Therefore, detector gating is an effective way to keep the detector blind during intense photon fluxes, while enabling its single photon sensitivity only during desired gate-ON time windows, when the signal is expected. This Ph.D. dissertation describes the design, characterization and experimental exploitation of a fast-gated SPAD detector module intended to operate a Silicon SPAD in the fast-gated regime with ON and OFF transitions below 200 ps. Fast-gating a SPAD detector involves different electronic challenges both in the driving circuitry (the pulse generator) and in the read-out circuitry. These challenges are addressed and different circuital solution are presented. The fast-gated module has been exploited in different collaborations with various research groups including: Dipartimento di Fisica at Politecnico di Milano (Italy), CEA-Leti, Grenoble (France), Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin (Germany), Ecolé Polytechnique de Montréal (Canada), Istituto Italiano di Tecnologia, Genova (Italy). During these collaborations, the developed fast-gated module helped enhancing the performance of different imaging techniques at single-photon level like functional NIR spectroscopy at null source-detector distance, non-contact scanning functional spectroscopy, tomographic reconstruction of solid inclusions in liquid phantoms, STED confocal microscopy and the study of Rabi oscillation in nitrogen isoelectronic traps. The various imaging scenarios are described and the improvement introduced by the fast-gating technique is highlighted. Additional custom instruments have also been developed to enhance the performance of TCSPC setups including: a gated counter with a detection window scalable down to 70 ps, a fast pulse generator with rise and fall times below 50 ps and different driver circuits to gate SPADs or to pulse laser diodes in the gain-switching regime with FWHM below 100 ps. The evolution of the fast-gated TCSPC setup led to the development of the first compact setup for contact time-resolved brain imaging were both a fast-gated detector and a picosecond pulsed laser diode are placed in a compact housing in contact with the patient head. This new approach is leading to different future prospective like dense arrays of sensors or cheap and disposable optical probes with improved photon collection efficiency with respect to actual bulky setups. Employing the same electronic background used to fast-gate Silicon SPADs, a gigahertz sinusoidal gating setup for InGaAs/InP SPADS has been developed. Compared to Silicon detectors, InGaAs/InP SPADs have a good detection efficiency (up to 50 %) at NIR wavelengths (up to 1700 nm) but suffer from high dark noise level and strong afterpulsing noise that usually limit their use in high throughput applications. This Ph.D. dissertation describes a custom setup that, thanks to gigahertz sinusoidal gating, achieves good performance in terms of detection efficiency (up to 4 %) and timing jitter (below 150 ps), boosting the throughput up to 100 Mcps (1000 times faster than standard InGaAs/InP detectors). The different gating solutions are described including issues that arise in the avalanche signal read-out when a SPAD detector is enabled with a gigahertz sinusoidal bias.

La misura di segnali luminosi a bassissima intensità (a livello di singolo fotone) nello spettro del visibile (VIS) e del vicino infrarosso (NIR) con risoluzione temporale del picosecondo è una tecnica collaudata per lo studio di diverse strutture biologiche e non. Viene impiegata, ad esempio, nell’imaging funzionale dell’attività celebrale, nella mammografia ottica, nell’imaging molecolare, oltre a Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM), Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), Quantum Information, LIDAR e molte altre. Una delle tecniche più utilizzate per misurare impulsi luminosi veloci a livello di singolo fotone è la Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC), grazie alla sua efficacia, in particolare se accoppiata all’utilizzo di rivelatori di singolo fotone a stato solido come i Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs). I rivelatori SPAD stanno diventando sempre più diffusi nei setup di TCSPC grazie alla loro buona efficienza quantica (QE) (circa il 50% a 550 nm e comunque più alta del 15% fino a 800 nm) e basso jitter temporale (poche decine di picosecondi). Inoltre, uno SPAD può essere abilitato e disabilitato in poche centinaia di picosecondi modulando analogicamente la sua tensione di polarizzazione da sotto a sopra la sua tensione di breakdown. Un fotone assorbito quando il rivelatore è spento, cioè polarizzato sotto la tensione di breakdown, non innesca una corrente di valanga in grado di auto-sostenersi, non può quindi essere rivelato dall’elettronica di front-end. La modulazione della tensione di polarizzazione del rivelatore (fast-gating) risulta quindi un metodo efficacie per mantenere lo stesso “cieco” durante intensi flussi di fotoni, mentre si può sfruttare la sua alta sensitività (a livello di singolo fotone) solamente durante delle finestre temporali ben precise, quando ci si aspetta di dover rivelare un segnale. Questa tesi di dottorato descrive il progetto, la caratterizzazione e l’utilizzo sperimentale di un modulo fast-gated costruito per operare un rivelatore SPAD in Silicio nel regime fast-gated con transizioni di accensione e spegnimento del rivelatore minori di 200 picosecondi. Lo sviluppo di un modulo fast-gated prevede diverse sfide progettuali sia nell’elettronica di modulazione della tensione di polarizzazione (generatore di impulsi veloci) sia nei circuiti di lettura del segnale di valanga. Queste sfide progettuali sono affrontate e risolte grazie alle diverse soluzioni circuitali presentate in questa tesi. Il modulo fast-gated progettato è stato utilizzato in diverse collaborazioni scientifiche con vari centri di ricerca quali: Dipartimento di Fisica del Politec-nico di Milano (ITALIA), CEA-LETI (FRANCIA), Physikalisch-Technische Bun-desanstalt (GERMANIA), Ecolé Polytechnique de Montreal (CANADA), Istituto Italiano di Tecnologia (ITALIA). Durante queste collaborazioni, il modulo fast-gated si è dimostrato una tecnologia abilitante, aumentando le prestazioni di diverse tecniche di imaginig a livello di singolo fotone quali la spettroscopia ottica nel vicino infrarosso a distanza sorgente-rivelatore nulla, spettroscopia funzionale non a contatto, la tomografia ottica diffusa di phantom liquidi, microscopia confocale di tipo STED e lo studio di oscillazioni di Rabi in trappole isoelettroniche di azoto. I vari scenari applicativi sono descritti ed i miglioramenti apportati dalla tecnica fast-gated sono evidenziati. Altri strumenti scientifici sono stati sviluppati durante questo lavoro di tesi per migliorare le prestazioni di setup basati su TCSPC inclusi: un contatore finestrato con finestre scalabili fino a 70 ps, un generatore di impulsi veloci con transizioni inferiori a 50 ps e diversi circuiti di pilotaggio per fotorivelatori e diodi laser in modalità gain-switching con durata dell’impulso inferiore a 100 ps. La continua evoluzione del setup fast-gated ha portato allo sviluppo del primo setup compatto per misure di imaging cerebrale risolto nel tempo a contatto con il paziente, composto da un rivelatore SPAD e da una sorgente laser impulsata, entrambi montati in una sonda compatta posta sulla testa del paziente. Questo nuovo approccio ha aperto nuove prospettive come matrici di sensori o sonde ottiche economiche e usa-e-getta ma con una efficienza di collezione dei fotoni migliorata rispetto agli attuali setup da laboratorio. Facendo uso dello stesso background elettronico usato nell’abilitazione in modalità gated di SPAD in Silicio, è stato sviluppato un sistema per la modulazione sinusoidale nell’intorno del gigahertz di SPAD in InGaAs/InP. Rispetto agli SPAD in Silicio, i rivelatori in InGaAs/InP hanno una buona efficienza quantica (fino al 50%) nel vicino infrarosso (fino a 1700 nm) ma sono affetti da elevati livelli di rumore e afterpulsing che ne limitano il loro uso in applicazioni ad alto tasso di conteggi. Questa tesi di dottorato descrive un sistema custom che, grazie alla modulazione sinusoidale a gigahertz, permette di ottenere buone prestazioni in termini di efficienza di rivelazione (fino al 4 %), risoluzione temporale (minore di 150 ps) migliorando il tasso ottenibile fino a 100 Mcps ( 1000 volte più elevato dei rivalatori InGaAs/InP standard). Diverse soluzioni di modulazione sono descritte, inclusi i problemi di lettura del segnale di valanga derivanti dalla modulazione della tensione di polarizzazione in maniera sinusoidale.