Rivelatori SPAD in InGaAs/InP abilitati a GHz per alti tassi di conteggio

Nowadays more and more applications require devices capable of detecting very weak light pulses (at the level of single photon) and extremely fast. The advantages of solid state detectors in terms of reliability, robustness and compactness have motivated the development of the Single-Photon Avalanche Diodes (SPAD). SPADs fabricated in silicon today represent the state of the art in the detection of single photons in the visible spectrum, but cannot be used to detect photons in the near infrared. For wavelengths in the near infrared, InGaAs/InP SPAD have been developed. These ones have good efficiency from 900 nm to 1700 nm. But they are characterized by a high level of noise, in terms of dark count rate and afterpulsing, that limits its operation mode only in gated-mode. This doesn’t allow to detect optical continuous waveform and restricts significantly the maximum count rate. The goal of this thesis is to demonstrate a new way to enable InGaAs/InP SPAD, using a sinusoidal gate signal at high frequency, basically around the GHz, which gives to the detector, in case of non-synchronism between the optical source and sensor, a behaviour equivalent to a detector working in free-running, called free-gating. Once introduced this new way to enable the photodiode, the electronics, designed and characterized in this thesis, will be described in all the details, and it will be made a careful experimental characterization for assessing the performance. We obtained excellent results in terms of temporal jitter (down to 90 ps) and a very high count rate (up to 650 Mcps). We achieved a peak photon detection efficiency of about 40.5% at 1550 nm, which corresponds to 5.2%, when operated in gate-free mode, and a very low afterpulsing probability of less than 1.5% with a 1.5 ns hold-off time.

Oggigiorno sempre più applicazioni richiedono dispositivi in grado di rivelare impulsi di luce molto deboli (a livello di singolo fotone) ed estremamente veloci. I vantaggi dei rivelatori a stato solido in termini di affidabilità, robustezza e compattezza hanno motivato lo sviluppo dei Single-Photon Avalanche Diodes (SPAD). Gli SPAD fabbricati in silicio rappresentano oggi lo stato dell'arte nella rivelazione di singoli fotoni nello spettro visibile all’occhio umano, ma non possono essere utilizzati per rivelare fotoni nel vicino infrarosso. Per lunghezze d'onda nel vicino infrarosso, sono stati sviluppati gli SPAD in InGaAs/InP. Questi ultimi hanno una buona efficienza da 900 nm a 1700 nm. Essi sono però caratterizzati da un rumore elevato, in termini di tasso di conteggi di buio ed afterpulsing, che limita il loro funzionamento solo in modalità gated-mode. Ciò non consente di rilevare forme d'onda CW (Continuous Wave) e limita significativamente il massimo tasso di conteggi ottenibile. L'obiettivo di questa tesi è quello di dimostrare un nuovo modo di abilitare gli SPAD in InGaAs/InP, utilizzando un segnale sinusoidale a frequenza elevata, attorno al GHz, che conferisce al rivelatore, in caso di non sincronismo tra la sorgente ed il sensore ottico, un comportamento equivalente ad un rivelatore abilitato in free-running, chiamato free-gating. Una volta introdotto questo nuovo modo di abilitare il fotodiodo, sarà descritta in tutti i suoi particolari l'elettronica progettata e caratterizzata in questo progetto di tesi e sarà effettuata un'accurata caratterizzazione sperimentale per valutarne le prestazioni. Sono stati ottenuti ottimi risultati in termini di jitter temporale (inferiore a 90 ps) e un tasso di conteggi molto alto (fino a 650 Mcps). Si è raggiunta un’efficienza di fotorivelazione di picco pari al 40.5% a 1550 nm, corrispondente al 5.2%, durante il funzionamento in modalità gate-free, e con una probabilità di afterpulsing inferiore al 1.5% con un tempo di hold-off di 1.5 ns.