Time-resolved multichannel optoelectronic instrumentation based on pulsed lasers and single-photon detectors

Advancements of optoelectronic instrumentation and measurement techniques based on single photon detection fostered a wide diffusion of photonic components in a large variety of different applications, from the automotive and the industrial fields, to material sciences, quantum communication networks, biomedical and clinical applications. The technique to non invasively probe diffusive media in depth by means of near infrared light is known as Near InfraRed Spectroscopy (NIRS), and has been successfully adopted for brain and muscle oximetry, optical mammography, in vivo molecular imaging and many other applications. Pulsed laser sources and single photon detectors, thanks to the Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique, enable for time resolved NIRS measurements, allowing to exploit the strong connection between depth penetration into the sample and the photon arrival times, and to retrieve absolute concentration of constituents and discriminate contributions coming from different layers of the sample. The first part of my Ph.D. research activity focuses on the design of a complete system for time resolved NIRS, featuring eight fiber coupled custom pulsed diode lasers emitting in the 630 – 1050 nm range, two wide area single photon detectors based on Silicon Photomultipliers, and two time measurement instruments based on a custom Time to Digital Converter. The instrument aims at improving state of the art of time resolved NIRS instrumentation, thanks to enhanced optical performance still guaranteeing noteworthy reductions of both costs and dimensions. The system has been designed within the framework of the E.U. funded H2020 LUCA project to develop a complete multimodal instrument based on Ultrasound and Diffuse Optics techniques for the early and non invasive analysis of thyroid nodules. The achieved advancements on photonic components have been adopted also to improve optical performance of a portable dual wavelength system for time resolved NIRS, previously designed during my M.Sc. thesis, allowing for an in-vivo measurement campaign on freely moving subjects. Finally, a stand¬ alone single channel version of the developed laser diode pulser has been designed to drive different commercially available laser diodes in gain switching regime with state of the art optical performance. The second part of my research activity focuses on the design and development on single photon detectors based on the fast gated operation of Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). SPAD detectors are nowadays gaining ever increasing interest thanks to low noise, picosecond timing resolution and ease of use. Additionally, SPADs can be operated in gated mode regime by driving the detector ON/OFF with sub nanosecond transitions, allowing to perform a sharp time filtering of the incoming light signals and increase measurement dynamic range and signal to noise ratio. With the aim to overcome current limitations of state of the art time gated single photon detectors, two instruments have been designed: a single pixel fast gated SPAD module and a 16 × 1 fast gated SPAD array module. The single pixel module has been designed to operate silicon and InGaAs/InP SPADs in high count rate applications such as Quantum Key Distribution (QKD), thanks to high gate repetition frequency and sub nanosecond optical gates. Silicon SPAD based module foresees its adoption for the development of a complete QKD network within the framework of the E.U. funded H2020 QuantERA SQUARE project. The 16 × 1 fast gated SPAD array module is based on an array of CMOS SPADs driven in fast gated regime by an Active Quenching Circuit (AQC) array ASIC. The system has been specifically designed for Non Line Of Sight (NLOS) imaging applications within the DARPA REVEAL project for the development of a complete imaging system for the reconstruction of scenarios hidden from the direct field¬ of view of the detection system.

I progressi della strumentazione optoelettronica e delle tecniche di misura basate sulla rivelazione di singoli fotoni hanno favorito un'ampia diffusione di componenti fotonici in una grande varietà di applicazioni, dai settori automotive e industriale, alle scienze dei materiali, alle reti di comunicazione quantistica, alle applicazioni biomediche e cliniche. La tecnica per sondare in profondità non invasivamente i mezzi diffondenti per mezzo della luce nel vicino infrarosso è nota come spettroscopia ottica nel vicino infrarosso (NIRS) ed è stata applicata con successo per l'ossimetria cerebrale e muscolare, la mammografia ottica, l'imaging molecolare in-vivo e molte altre applicazioni. Sorgenti laser impulsate e rivelatori di singoli fotoni, grazie alla tecnica TCSPC (Time-Correlated Single-Photon Counting), consentono misurazioni NIRS risolte nel tempo, consentendo di sfruttare la forte connessione tra profondità di penetrazione nel campione ed i tempi di arrivo dei fotoni, e di recuperare i valori assoluti di concentrazione dei costituenti del campione e discriminare i contributi provenienti da diversi strati. La prima parte della mia l'attività di ricerca si concentra sulla progettazione di un sistema completo per NIRS risolto nel tempo, con otto laser a diodi impulsati accoppiati in fibra che emettono nella gamma 630-1050 nm, due rivelatori di singoli fotoni ad ampia area basati su Silicon Photomultipliers realizzati in silicio e due strumenti di misura del tempo basati su un Time-to-Digital Converter (TDC). Lo strumento ambisce a migliorare lo stato dell’arte della strumentazione NIRS risolta nel tempo, grazie a prestazioni ottiche migliorate che garantiscono comunque notevoli riduzioni di costi e dimensioni. Il sistema è stato progettato nell'ambito del progetto H2020 LUCA, finanziato dalla Comunità Europea, per lo sviluppo di uno strumento multimodale completo basato su tecniche di ultrasuoni e ottica in mezzi diffondenti per l'analisi precoce e non invasiva dei noduli tiroidei. I progressi raggiunti sui componenti fotonici sono stati adottati anche per migliorare le prestazioni ottiche di un sistema portatile a doppia lunghezza d'onda per NIRS risolta nel tempo, precedentemente progettato durante la mia tesi di Laurea Magistrale, che prevede una campagna di misurazione in vivo su soggetti in movimento libero. Infine, una versione a singolo canale dell’ impulsatore a diodi laser sviluppato, è stata progettata per pilotare diversi diodi laser disponibili in commercio, in regime di Gain Switching guadagno con prestazioni ottiche all'avanguardia. La seconda parte della mia attività di ricerca si concentra sulla progettazione e lo sviluppo di rivelatori di singoli fotoni basati su Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) in regime fast-gated. Oggi i rilevatori SPAD stanno guadagnando sempre più interesse grazie al basso rumore, alla risoluzione temporale nell’ordine dei picosecondi e alla facilità d'uso. Inoltre, gli SPAD possono essere gestiti in regime gated attivando/disattivando il rivelatore con transizioni rapide, consentendo di eseguire un filtraggio del tempo dei segnali luminosi in ingresso ed aumentare il Dynamic Range di misurazione e il rapporto segnale-rumore. Allo scopo di superare le attuali limitazioni dei rivelatori di singolo fotone, sono stati progettati due strumenti: un modulo SPAD fast-gated a singolo pixel e un modulo SPAD fast-gated basato su un array lineare 16 × 1. Il modulo a singolo pixel è stato progettato per pilotare SPAD realizzati sia in silicio che in InGaAs / InP SPAD per applicazioni ad alti tassi di conteggio come la Quantum Key Distribution (QKD), grazie all'elevata frequenza di ripetizione del gate e finestre di gate inferiri al nanosecondo. Il modulo basato su SPAD silicio prevede la sua adozione per lo sviluppo di una rete QKD completa nell'ambito del progetto H2020 QuantERA SQUARE, finanziato dalla Comunità Europea. Il modulo SPAD array fast-gated 16 × 1 si basa su un array di SPAD CMOS pilotati in regime fast-gated da un array di AQC (Active Quenching Circuit). Il sistema è stato progettato specificamente per applicazioni di Non-Line-Of-Sight (NLOS) imaging nell'ambito del progetto DARPA REVEAL per lo sviluppo di un sistema di imaging completo per la ricostruzione di scenari nascosti dal diretto campo visivo del sistema di rivelazione.