Gli inventori hanno notato che il rivelatore descritto nel documento “Fast- Gated Single-Photon Avalanche Diode for Wide Dynamic Range Near Infrared Spectroscopy” citato sopra ha un’area attiva piccola (circa 100 μm di diametro), che limita fortemente la raccolta di luce dal campione. D’altra parte, i SiPM possono avere un’area attiva larga, come discusso nel documento “Fast silicon photomultiplier improves signal harvesting and reduces complexity in time-domain diffuse optics” citato sopra, ma non sono adatti per funzionalità a time-gating veloce, a causa della loro alta capacità parassita e della presenza del resistore di spegnimento integrato, entrambi che impediscono transizioni rapide della loro tensione di polarizzazione, necessarie per accendere rapidamente il rivelatore. Alla luce di quanto sopra, un oggetto della presente invenzione è fornire un fotorivelatore, in particolare un fotorivelatore a stato solido, che presenta sensibilità a singolo fotone, area fotosensibile larga e funzionalità a time gating veloce. Nella seguente descrizione e nelle rivendicazioni, l’aggettivo “attivo” e “fotosensibile” saranno utilizzati in modo intercambiabile. Nella seguente descrizione e nelle rivendicazioni, il termine “microcella” indicherà un singolo elemento di rivelazione di un rivelatore ad array come un SiPM o un sensore di immagine basato su SPAD. Inoltre, l’espressione “regime di singolo fotone” del fotorivelatore indicherà che, in media su multipli impulsi laser di eccitazione, non più di un fotone raggiunge il fotorivelatore per ciascun periodo di eccitazione del laser. Secondo un aspetto, la presente invenzione fornisce un fotorivelatore comprendente: - un array di microcelle; - un modulo di output configurato per raccogliere da ciascuna microcella un segnale di output che indica una rivelazione di fotone e combinare i segnali di output raccolti in almeno una linea di output, in cui ciascuna microcella comprende: - un primo dispositivo e un secondo dispositivo, in cui almeno uno tra il primo dispositivo e il secondo dispositivo è un dispositivo fotosensibile in grado di rivelare il fotone; - un modulo di time-gating connesso all’almeno un dispositivo fotosensibile e configurato per fornire un segnale di gate all’almeno un dispositivo fotosensibile per attivare l’almeno un dispositivo fotosensibile; e - un modulo di lettura configurato per ricevere, all’arrivo del fotone sull’almeno un dispositivo fotosensibile attivato, un corrispondente segnale dall’almeno un dispositivo fotosensibile attivato e, in base al segnale ricevuto, fornire un segnale di output al modulo di output. Secondo forme di realizzazione preferite della presente invenzione, sia il primo dispositivo che il secondo dispositivo sono dispositivi fotosensibili. Preferibilmente, sia il primo dispositivo che il secondo dispositivo sono diodi a valanga a singolo fotone. Preferibilmente, il fotorivelatore comprende inoltre un modulo di frontend connesso al modulo di lettura e configurato per gestire l’almeno un dispositivo fotosensibile e interfacciarlo con il modulo di lettura. In particolare, secondo le forme di realizzazione preferite dell’invenzione, il modulo di frontend comprende un circuito di spegnimento della valanga e una logica di gestione del tempo di recupero (hold-off). Secondo prime forme di realizzazione preferite della presente invenzione il modulo di time-gating è connesso al catodo sia del primo dispositivo fotosensibile che del secondo dispositivo fotosensibile, e il modulo di lettura è connesso all’anodo sia del primo dispositivo fotosensibile che del secondo dispositivo fotosensibile. Secondo seconde forme di realizzazione preferite della presente invenzione, sia il modulo di time-gating che il modulo di lettura sono connessi all’anodo sia del primo dispositivo fotosensibile che del secondo dispositivo fotosensibile. Preferibilmente, il modulo di time-gating è configurato per attivare l’almeno un dispositivo fotosensibile per mezzo di un segnale di gate comprendente una sequenza di impulsi, avendo ciascun impulso una durata predeterminata durante la quale l’almeno un dispositivo fotosensibile è acceso. Secondo forme di realizzazione preferite dell’invenzione, il modulo di timegating è configurato per applicare uno stesso segnale di gate al primo dispositivo fotosensibile e al secondo dispositivo fotosensibile. In particolare, quando i dispositivi fotosensibili sono SPAD, il modulo di time-gating è configurato per usare il segnale di gate per modulare una tensione di polarizzazione inversa sul primo dispositivo fotosensibile e su detto secondo dispositivo fotosensibile da sotto a sopra una loro tensione di breakdown. Secondo forme di realizzazione preferite dell’invenzione, il modulo di lettura è un circuito di lettura differenziale configurato per rivelare una variazione di corrente/tensione nel primo dispositivo o nel secondo dispositivo causata dalla rivelazione del fotone e fornire un segnale di output indicativo della rivelazione. Preferibilmente, il modulo di lettura comprende un primo comparatore, un secondo comparatore e una porta OR connessa all’output sia del primo comparatore che del secondo comparatore; ciascun comparatore è configurato per determinare se una tensione in corrispondenza dell’anodo di un rispettivo dispositivo fotosensibile è maggiore di una tensione in corrispondenza dell’anodo dell’altro dispositivo fotosensibile di una soglia predefinita, e la porta OR è configurata per fornire il segnale di output che indica la rivelazione da parte di uno qualsiasi tra il primo dispositivo fotosensibile ed il secondo dispositivo fotosensibile. In alternativa, il modulo di lettura comprende una porta XOR avente due input, ciascuno corretto ad un anodo di un rispettivo dispositivo tra il primo dispositivo fotosensibile ed il secondo dispositivo fotosensibile; la porta XOR è configurata per determinare se una tensione in corrispondenza dell’anodo di uno qualunque tra il primo dispositivo fotosensibile e il secondo dispositivo fotosensibile è maggiore di una soglia predeterminata e fornire un segnale di output che indica la rivelazione da parte di uno qualsiasi tra il primo dispositivo fotosensibile ed il secondo dispositivo fotosensibile. Vantaggiosamente, ciascuna microcella è configurata per ricevere un rispettivo segnale di abilitazione, per abilitare o disabilitare la microcella. Più in particolare, uno stesso segnale può essere usato per abilitare o disabilitare un insieme di microcelle. Preferibilmente, il modulo di output comprende rami di albero ad H completamente logici (fully-logic H-tree branches). Preferibilmente, una sua area attiva totale è uguale ad almeno 0,5 mm2. Secondo forme di realizzazione vantaggiose della presente invenzione, il fotorivelatore comprende un numero di microcelle con aree attive di dimensioni diverse.

Rivelatore a singolo fotone ad area larga con funzionalità di time-gating

A. Tosi;F. Villa;F. Zappa;A. Torricelli;A. Dalla Mora;D. Contini;G. Pifferi;P. Taroni;L. Di Sieno;M. Buttafava;E. Conca;
2018

Abstract

Gli inventori hanno notato che il rivelatore descritto nel documento “Fast- Gated Single-Photon Avalanche Diode for Wide Dynamic Range Near Infrared Spectroscopy” citato sopra ha un’area attiva piccola (circa 100 μm di diametro), che limita fortemente la raccolta di luce dal campione. D’altra parte, i SiPM possono avere un’area attiva larga, come discusso nel documento “Fast silicon photomultiplier improves signal harvesting and reduces complexity in time-domain diffuse optics” citato sopra, ma non sono adatti per funzionalità a time-gating veloce, a causa della loro alta capacità parassita e della presenza del resistore di spegnimento integrato, entrambi che impediscono transizioni rapide della loro tensione di polarizzazione, necessarie per accendere rapidamente il rivelatore. Alla luce di quanto sopra, un oggetto della presente invenzione è fornire un fotorivelatore, in particolare un fotorivelatore a stato solido, che presenta sensibilità a singolo fotone, area fotosensibile larga e funzionalità a time gating veloce. Nella seguente descrizione e nelle rivendicazioni, l’aggettivo “attivo” e “fotosensibile” saranno utilizzati in modo intercambiabile. Nella seguente descrizione e nelle rivendicazioni, il termine “microcella” indicherà un singolo elemento di rivelazione di un rivelatore ad array come un SiPM o un sensore di immagine basato su SPAD. Inoltre, l’espressione “regime di singolo fotone” del fotorivelatore indicherà che, in media su multipli impulsi laser di eccitazione, non più di un fotone raggiunge il fotorivelatore per ciascun periodo di eccitazione del laser. Secondo un aspetto, la presente invenzione fornisce un fotorivelatore comprendente: - un array di microcelle; - un modulo di output configurato per raccogliere da ciascuna microcella un segnale di output che indica una rivelazione di fotone e combinare i segnali di output raccolti in almeno una linea di output, in cui ciascuna microcella comprende: - un primo dispositivo e un secondo dispositivo, in cui almeno uno tra il primo dispositivo e il secondo dispositivo è un dispositivo fotosensibile in grado di rivelare il fotone; - un modulo di time-gating connesso all’almeno un dispositivo fotosensibile e configurato per fornire un segnale di gate all’almeno un dispositivo fotosensibile per attivare l’almeno un dispositivo fotosensibile; e - un modulo di lettura configurato per ricevere, all’arrivo del fotone sull’almeno un dispositivo fotosensibile attivato, un corrispondente segnale dall’almeno un dispositivo fotosensibile attivato e, in base al segnale ricevuto, fornire un segnale di output al modulo di output. Secondo forme di realizzazione preferite della presente invenzione, sia il primo dispositivo che il secondo dispositivo sono dispositivi fotosensibili. Preferibilmente, sia il primo dispositivo che il secondo dispositivo sono diodi a valanga a singolo fotone. Preferibilmente, il fotorivelatore comprende inoltre un modulo di frontend connesso al modulo di lettura e configurato per gestire l’almeno un dispositivo fotosensibile e interfacciarlo con il modulo di lettura. In particolare, secondo le forme di realizzazione preferite dell’invenzione, il modulo di frontend comprende un circuito di spegnimento della valanga e una logica di gestione del tempo di recupero (hold-off). Secondo prime forme di realizzazione preferite della presente invenzione il modulo di time-gating è connesso al catodo sia del primo dispositivo fotosensibile che del secondo dispositivo fotosensibile, e il modulo di lettura è connesso all’anodo sia del primo dispositivo fotosensibile che del secondo dispositivo fotosensibile. Secondo seconde forme di realizzazione preferite della presente invenzione, sia il modulo di time-gating che il modulo di lettura sono connessi all’anodo sia del primo dispositivo fotosensibile che del secondo dispositivo fotosensibile. Preferibilmente, il modulo di time-gating è configurato per attivare l’almeno un dispositivo fotosensibile per mezzo di un segnale di gate comprendente una sequenza di impulsi, avendo ciascun impulso una durata predeterminata durante la quale l’almeno un dispositivo fotosensibile è acceso. Secondo forme di realizzazione preferite dell’invenzione, il modulo di timegating è configurato per applicare uno stesso segnale di gate al primo dispositivo fotosensibile e al secondo dispositivo fotosensibile. In particolare, quando i dispositivi fotosensibili sono SPAD, il modulo di time-gating è configurato per usare il segnale di gate per modulare una tensione di polarizzazione inversa sul primo dispositivo fotosensibile e su detto secondo dispositivo fotosensibile da sotto a sopra una loro tensione di breakdown. Secondo forme di realizzazione preferite dell’invenzione, il modulo di lettura è un circuito di lettura differenziale configurato per rivelare una variazione di corrente/tensione nel primo dispositivo o nel secondo dispositivo causata dalla rivelazione del fotone e fornire un segnale di output indicativo della rivelazione. Preferibilmente, il modulo di lettura comprende un primo comparatore, un secondo comparatore e una porta OR connessa all’output sia del primo comparatore che del secondo comparatore; ciascun comparatore è configurato per determinare se una tensione in corrispondenza dell’anodo di un rispettivo dispositivo fotosensibile è maggiore di una tensione in corrispondenza dell’anodo dell’altro dispositivo fotosensibile di una soglia predefinita, e la porta OR è configurata per fornire il segnale di output che indica la rivelazione da parte di uno qualsiasi tra il primo dispositivo fotosensibile ed il secondo dispositivo fotosensibile. In alternativa, il modulo di lettura comprende una porta XOR avente due input, ciascuno corretto ad un anodo di un rispettivo dispositivo tra il primo dispositivo fotosensibile ed il secondo dispositivo fotosensibile; la porta XOR è configurata per determinare se una tensione in corrispondenza dell’anodo di uno qualunque tra il primo dispositivo fotosensibile e il secondo dispositivo fotosensibile è maggiore di una soglia predeterminata e fornire un segnale di output che indica la rivelazione da parte di uno qualsiasi tra il primo dispositivo fotosensibile ed il secondo dispositivo fotosensibile. Vantaggiosamente, ciascuna microcella è configurata per ricevere un rispettivo segnale di abilitazione, per abilitare o disabilitare la microcella. Più in particolare, uno stesso segnale può essere usato per abilitare o disabilitare un insieme di microcelle. Preferibilmente, il modulo di output comprende rami di albero ad H completamente logici (fully-logic H-tree branches). Preferibilmente, una sua area attiva totale è uguale ad almeno 0,5 mm2. Secondo forme di realizzazione vantaggiose della presente invenzione, il fotorivelatore comprende un numero di microcelle con aree attive di dimensioni diverse.
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