Architectural ASIC design for advanced time-resolved single photon measurements

This thesis focuses on advancing Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) technology by developing state-of-the-art integrated circuits (ICs) for high-speed, time-resolved photon detection. Key challenges such as pile-up distortion, timing accuracy, and scalability in multi-channel systems are addressed through innovative solutions in photodetectors, quenching circuits, and timing architectures. The research led to the design and implementation of multiple ICs in high-voltage 150 nm and SiGe 350 nm technologies, significantly improving TCSPC performance for applications in biological imaging, quantum communication, and LiDAR.

Questa tesi si concentra sul miglioramento della tecnica del Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) attraverso lo sviluppo di circuiti integrati (IC) all'avanguardia per la rilevazione di coincidenza temporale di fotoni in condizioni di alti conteggi. Le principali sfide, come la distorsione da pile-up, la precisione temporale e la scalabilità nei sistemi multicanale, sono affrontate tramite soluzioni innovative nei fotorilevatori, nei circuiti di quenching e nelle architetture di misurazione temporale. La ricerca ha portato alla progettazione e implementazione di numerosi IC nelle tecnologie high-voltage 150 nm e SiGe 350 nm, migliorando significativamente le prestazioni del TCSPC per applicazioni nell'imaging biologico, nella comunicazione quantistica e nei sistemi LiDAR.