Near infrared photon counting instrumentation and applications

Nowadays many applications of the scientific community (physics, biomedicine, electronics, etc.) need to detect very faint and fast light signals, down to the single-photon level. 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. Solid-state detectors have the advantage of high reliability and robustness, and they can be very compact and portable. Single-photon avalanche diodes (SPADs) proved to be a good choice because they have good photon detection efficiency and low timing jitter. Silicon SPADs are sensitive up to 1100 nm, while InGaAs/InP SPADs can be employed to detect photons from 900 nm to 1700 nm. The present Ph.D. dissertation is focused on the design and development of novel single-photon detection systems capable of performing photon counting and photon timing measurements. An extensive characterization of the electronics developed proved outstanding performance, superior with respect to the state of the art, thus becoming an enabling technology to perform measurements once considered unfeasible, as proved by a series of successful international collaboration with other research groups. In the following, a brief description of the main topics discussed in this work is reported. The first chapter presents the main single-photon counting applications; moreover, the operating principle of currently available single-photon detectors is described and their performances are compared. The second chapter describes the single-photon avalanche diode. The typical structure is presented and the dependence of the main parameters (i.e. photon detection efficiency, noise and time resolution) on the operating conditions (e.g. temperature and excess bias voltage) is analyzed. The chapter reports also a survey of commercial single-photon detection systems. The third chapter presents design and characterization of a near-infrared photon counting module, able to exploit the good performance of InGaAs/InP SPADs for the detection of single photons up to 1.7 µm. This instrument is suitable in many applications thanks to the user-friendly interface and the fully adjustable settings of all operating parameters. In particular, the design of the wide-band front-end electronics for the fast gating of the detector and for the low time jitter avalanche discrimination is reported. Experimental evaluation of uniformity and timing performance of the detector response is widely discussed. Eventually some applications in which this module has been used are discussed. The fourth chapter shows the design and the experimental characterization of an InGaAs/InP single-photon avalanche diode enabled by a gigahertz sinusoidal gate signal. A novel technique has been demonstrated for obtaining a single-photon detector at telecom wavelength with high count rate and low afterpulsing. It can be used in several applications: the main is quantum communication, but many others, such as laser ranging (LIDAR) or decay measurements, can benefit by this approach. The design of the wide-band electronic system for SPAD gating and for avalanche sensing is presented. Then a complete characterization shows the main results. The fifth chapter describes the electronic design and characterization of a multichannel detection system for single-photon counting, based on a monolithic linear array of 32 CMOS SPADs, with extended sensitivity down to 300 nm. The detection module provides a low-jitter output signal for each channel and is suitable for many applications requiring single-photon parallel sensing. The electronic design is widely discussed and a complete characterization in terms of photon detection efficiency, timing resolution, dark-count rate and afterpulsing probability is reported. Finally two scientific collaborations in which the system was used are discussed.

Oggigiorno diverse applicazioni scientifiche (nel campo della fisica, biomedicina, Elettronica, ecc.) necessitano la rivelazione di segnali ottici deboli e veloci, a livello di singolo fotone. Queste applicazioni sono presenti in diversi campi: misure di fluorescenza (in fisica, chimica e biologia), rivelazione di singole molecole, caratterizzazione di nuovi materiali, test di fibre ottiche, laser ranging e telemetria, crittografia quantistica, e studi in fisica quantistica. Diverse tipologie di rivelatori di singoli fotoni sono state sviluppate in passato. I rivelatori a stato solido hanno vantaggi in termini di affidabilità e robustezza, e riescono a essere molto compatti e portatili. I fotorivelatori SPAD sono ottimi candidati in questo genere di applicazioni grazie alla buona efficienza quantica e al basso jitter temporale. Gli SPAD in silicio hanno buona sensitività fino a 1100 nm, mentre gli SPAD in InGaAs/InP possono essere impiegati per la rivelazione di segnali ottici tra 900 nm e 1700 nm. Questa Tesi di Dottorato è focalizzata sul progetto e lo sviluppo di sistemi innovativi per la rivelazione di singoli fotoni. L’elettronica sviluppata è stata caratterizzata approfonditamente ed ha mostrato prestazioni superiori allo stato dell’arte, diventando una tecnologia abilitante per diverse applicazioni, come provato da una serie di collaborazioni internazionali con altri Istituti di Ricerca. Di seguito è riportata una breve descrizione dei principali argomenti discussi in questo lavoro. Nel primo capitolo sono presentate le applicazioni che necessitano della rivelazione di singoli fotoni; inoltre, è descritto il principio di funzionamento dei rivelatori di singoli fotoni disponibili oggigiorno, e sono messe a confronto le loro prestazioni. Il secondo capitolo descrive i rivelatori di singoli fotoni SPAD. È presentata la struttura tipica ed è analizzata la dipendenza dei principali parametri (efficienza quantica, rumore e risoluzione temporale) dalle condizioni di funzionamento (temperatura ed excess bias). Il terzo capitolo presenta la progettazione e la caratterizzazione di un innovativo modulo per la rivelazione di singoli fotoni nel vicino infrarosso, basato su SPAD in InGaAs/InP per la rivelazione di singoli fotoni con lunghezza d’onda fino a 1.7 µm. Questo strumento è utilizzabile in molte applicazioni grazie alla semplice interfaccia utente ed alla possibilità di impostare i parametri di funzionamento in un ampio range. In particolare, è riportata la progettazione dell’elettronica di front-end ad ampia banda per l’abilitazione veloce del rivelatore e la discriminazione a basso jitter del segnale di valanga. È ampiamente discussa la caratterizzazione sperimentale dell’intero sistema in termini di risposta temporale, efficienza quantica, conteggi di buio ed afterpulsing. Il quarto capitolo mostra la progettazione e la caratterizzazione sperimentale di SPAD in InGAs/InP abilitati con un segnale sinusoidale a gigahertz. È discussa una nuova tecnica che consente di ottenere un fotorivelatore a 1550 nm con elevato massimo tasso di conteggio e basso afterpulsing. Questo sistema trova impiego in diverse applicazioni: maggiormente in comunicazioni quantistiche, ma anche in altre, come laser ranging (LIDAR) o misure di decadimento, possono beneficiare di questo approccio. All’interno del capitolo è presentata la progettazione dell’elettronica di front-end ad ampia banda per l’abilitazione dello SPAD e la lettura del segnale di valanga. Infine è presentata una completa caratterizzazione sperimentale in cui sono stati evidenziati i principali risultati. Il quinto capitolo presenta la progettazione e la caratterizzazione sperimentale di un sistema di rivelazione di singoli fotoni multicanale, basato su un array lineare di 32 SPAD realizzati in tecnologia high-voltage CMOS. La loro sensitività spettrale si estende 300 nm a 900 nm. Il modulo fornisce un’uscita a basso jitter temporale per ogni canale, ed è utilizzabile in molte applicazioni che richiedono rivelazione parallela di singoli fotoni. Sono ampiamente discussi sia la progettazione elettronica, sia la completa caratterizzazione sperimentale in termini di efficienza quantica, risoluzione temporale, tasso dei conteggi di buio e probabilità di afterpulsing. Alla fine del capitolo, sono discusse due collaborazioni scientifiche all’interno delle quali il sistema è stato impiegato.