High performance electronic systems for multi-channel single photon detectors

The analysis of optical signal can be crucial in many fields like medicine, biology, security and scanning systems. In this project, two different problems, related to single photon measurements, have been faced. The first is the study and implementation of a detector module, suitable for satellite LIDAR measurement system, and the second is the implementation of an innovative system to overcome the classic limits of the TCSPC technique. The LIDAR technique measures the distance between the detector and the objects by illuminating the environment with a pulsed laser and measuring the time of flight using a suitable sensor. Satellite LIDAR systems allows the scan of the atmosphere by measuring the intensity as a function of time and the characteristics of the backscattering light returning to the satellite. This allows to obtain information on molecules, aerosols, clouds etc. along the path of the LASER pulse. A lot of information can also be collected using the spectrum and polarization of the reflected light. The measurement of the light reflected by the first layers below the ocean level allows to obtain information also about the plankton under the surface. This project responds to the requests for an ultra-wide dynamic range system with a peak signal rate up to 40 GigaPhotons / seconds and a temporal resolution of 10ns. The adopted solution involves the use of a SPAD sensor array. This allows you to take advantage of the high efficiency and fast recovery time of the array up to saturation of the entire SPAD array. The project has provided a first module to perform electro-optical characterization and irradiation tests, to study possible radiation damage in space. Subsequently, in order to satisfy the required dynamic range, a system based on an ARRAY of SPAD photodetectors, managed by a new active quenching circuit (AQC), was developed. In conclusion, the goal of this project is to design and develop a new Time-Resolved, Single-Photon sensing head able to overcome the current limits of Atmospheric Sensing via LIDAR satellite. Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) is a technique performing the analysis of optical pulses with high timing precision. In a TCSPC measurement, a sample is excited by a periodic laser source and re-emitted photons are detected and recorded in a histogram depending on their arrival time within the laser period. After many measurements, the histogram shape represents the probability that a photon has arrived with a specific delay respect to the laser pulse, and this is the shape of the luminous signal. To avoid the pile-up distortion, TCSPC measurements are carried out limiting the average number of detected photons in a period below 5% of the light pulse rate. Actually, it has been demonstrated that if the dead time is matched to an integer number of excitation periods, the distortion is negligible, and this can be a real speedup of TCSPC measurements. The goal of this work is the realization and experimental characterization of a single-channel TCSPC module for high speed measurement exploiting the proposed methodology. The acquisition system consists of two blocks: the Detection Head and the Timing Conversion module. The Detection head is based on a custom technology Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), driven by an external Active Quenching Circuit (AQC) and a sensing circuit able to achieve a picosecond precision. The AQC dead time is finely tunable and this is necessary to match the excitation period. The Timing Conversion module implements a new Fast-TAC (F-TAC) structure based on sixteen TAC working in sequence to reach the high conversion rate required.

L'analisi dei segnali ottici può essere cruciale in molti campi quali la medicina, la biologia, la sicurezza e i sistemi di scansione. In questo progetto sono stati affrontati due diversi problemi relativi alle misure basate su tecniche di tipo "single photon". Il primo è lo studio e l'implementazione di un modulo rivelatore, adatto al sistema di misura satellitare LIDAR; il secondo è la realizzazione di un sistema innovativo per superare i limiti tipici della tecnica TCSPC. La tecnica LIDAR misura la distanza tra il rivelatore e gli oggetti illuminando l'ambiente con un laser pulsato e misurando il tempo di volo della luce mediante un apposito sensore. I sistemi LIDAR satellitari consentono la scansione dell'atmosfera misurando l'intensità in funzione del tempo e le caratteristiche della luce di retrodiffusione che ritorna al satellite. Questo permette di ottenere informazioni su molecole, aerosol, nubi ecc. lungo il percorso dell'impulso LASER. Anche lo spettro e la polarizzazione della luce riflessa possono essere utilizzate per ottenere importanti informazioni, così come la misura della luce riflessa dai primi strati sotto il livello dell'oceano permette di ottenere informazioni ad esempio sul plancton presente appena sotto la superficie. Questo progetto risponde alle specifiche per un sistema con un'elevata gamma dinamica (fino a 40 GigaPhoton/s) e una risoluzione temporale di 10ns. La soluzione adottata prevede l'utilizzo di un array di sensori SPAD. Il sistema è pensato per sfruttare l'elevata efficienza e il rapido tempo di recupero dell'array. Il progetto ha fornito un primo modulo per eseguire caratterizzazioni elettro-ottiche e test di radiazioni, per studiare possibili danni al sistema a causa delle radiazioni presenti nello spazio. Successivamente, per soddisfare il range dinamico richiesto, è stato sviluppato un sistema basato su un ARRAY di fotorivelatori SPAD gestito da un nuovo circuito di quenching attivo (AQC). In conclusione, l'obiettivo di questo progetto è progettare e sviluppare una nuova testa di rilevamento Single-Photon Time-Resolved in grado di superare gli attuali limiti del rilevamento atmosferico tramite satellite LIDAR. La Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) è una tecnica che esegue l'analisi degli impulsi ottici con un'elevata precisione temporale. In una misurazione TCSPC, un campione viene eccitato da una sorgente laser periodica e i fotoni riemessi vengono rilevati e registrati in un istogramma a seconda del loro tempo di arrivo all'interno del periodo laser. Dopo molte misurazioni, la forma dell'istogramma rappresenta la probabilità che un fotone sia arrivato con uno specifico ritardo rispetto all'impulso laser, pertanto l'istogramma ha la forma del segnale luminoso. Per evitare la distorsione da pile-up, le misurazioni TCSPC vengono eseguite limitando il numero medio di fotoni rilevati in un periodo, fino ad ottenere un rate di conversione inferiore al 5% della frequenza dell'impulso luminoso. Questo rende la tecnica TCSPC intrinsecamente lenta. In realtà, è stato dimostrato che se il tempo morto è pari ad un numero intero di periodi del LASER, la distorsione della misura diventa trascurabile, e questa può essere una svolta per velocizzare le misure TCSPC. L'obiettivo di questo lavoro è la realizzazione e la caratterizzazione sperimentale di un modulo TCSPC a singolo canale per misure ad alta velocità sfruttando la metodologia proposta. Il sistema di acquisizione è costituito da due blocchi: la Testa di Rivelazione e il modulo di Conversione Timing. La testa si basa su Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) realizzati in tecnologia custom, gestita da un circuito di spegnimento attivo esterno (AQC) e un circuito di prelievo in grado di mantenere una precisione temporale nell'ordine delle decine di picosecondi. Il tempo morto dell'AQC è finemente regolabile proprio per poterlo rendere uguale al periodo di eccitazione. Il modulo Timing Conversion implementa invece una nuova struttura Fast-TAC (F-TAC) basata su sedici TAC che lavorano in sequenza per raggiungere l'elevato rate di conversione richiesto.