Elettronica > Rivelatori a singolo fotone e relative applicazioni


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Focus

L'attività è volta allo sviluppo di rivelatori di singoli fotoni basati su fotodiodi a valanga (SPAD, Single-Photon Avalanche Diode) e della strumentazione elettronica associata e all'ideazione e messa in opera di sistemi per la rivelazione di debolissimi segnali luminosi. In particolare per applicazioni in life-science (nelle tecniche di analisi biomedica e nella diagnotica genetica micro e nano analitica) e nell'acquisizione di immagini e video ad elevatissima sensibilità e velocità di acquisizione, per la spettroscopia bidimensionale 2D e per la mappatura tridimensionale 3D di oggetti e scene mediante il tempo di volo dei singoli fotoni.
La ricerca è trainata dalla notevole richiesta di sistemi di rivelazione rapida ed efficiente dell'emissione fluorescente da piccolissimi campioni biologici, fino all'emissione da singole molecole di DNA e da proteine.
Lo scopo principale è lo sviluppo di sistemi di rivelazione estremamente miniaturizzati che superino le limitazioni dei sistemi attuali, basati su apparati costosi e ingombranti e su sensori singoli. Particolare attenzione è rivolta all'acquisizione di immagini e video di eventi estrememente rapidi, risolti temporalmente al livello di singoli fotoni, mediante sensori microelettronici a matrici lineari e quadrate di SPAD.




Fig. 1. Copyright © Ing. Giorgio Uccellini 2009

Risultati principali della ricerca


  • Matrici di fotorivelatori SPAD monolitici
    Abbiamo progettato e realizzato la prima matrice monolitica di 32x32 pixel con fotorivelatori SPAD di grande area (50µm di diametro) ed elevata efficienza quantica (50% a 550nm) e con elettronica per misurare il tempo di arrivo dei fotoni all’interno del chip. Abbiamo realizzato un altro sistema matriciale di 6x8 SPAD con lettura multiplexata per l’analisy di proteine in microarray. Abbiamo implementato un sensore di 60 elementi SPAD con 60 uscite completamente parallele e capacità di lavorare a 20kframes/s per ottica adattiva in astrofisica. Un array lineare da 8x1 pixel è stato validato in misure ad elevata velocità di lettura di Spettroscopia a Correlazione per Fluorescenza (FCS) per spettroscopia di singole molecole in collaborazione con l’università UCLA (University of California, Los Angeles).

  • Rivelatori SPAD migliorati con cavità risonante (RCE)
    Abbiamo ideato e realizzato i primi rivelatori RCE SPAD su un substrato riflettente di tipo silicon-on-insulator (SOI), che incorpora un riflettore di Bragg distribuito a due periodi, sviluppato in collaborazione con la Boston University. I fotorivelatori RCE SPAD raggiungono una efficienza di rivelazione di singoli fotoni (PDE) del 42% a 780 nm e del 34% a 850 nm ed una risoluzione temporale di 35ps di larghezza a metà altezza. Questi rivelatori sono adatti per applicazioni avanzate di conteggio di fotoni, dove sono richieste sia alta efficienza quantica che risoluzione temporale di pochi picosecondi.

  • Modulo di conteggio di fotoni a 1.55µm di lunghezza d’onda con fotodiodi SPAD in InGaAs/InP, completamente programmabile
    Abbiamo ideato, progettato e completamente realizzato e caratterizzato uno strumento allo staoto dell’arte per il conteggio di fotoni nel vicino infrarosso. Il modulo permette di operare al meglio un fotorivelatore a valanga SPAD fabbricato in InGaAs/InP per la rivelazione di segnali ottici estremamente veloci e deboli nel vicino infrarosso, fino a 1.7μm; lo strumento è estremamente programmabile e si adatta a molteplici applicazioni avanzate, grazie ad una interfaccia semplice e completa che permette di impostare tutti i parametri della misura. Abbiamo validato la corretta funzionalità dell’intero sistema fino a tassi di ripetizione dell’eccitazione di 133MHz e con abilitazioni del fotorivelatore al livello di nanosecondi, verificando le eccellenti prestazioni nella misura del tempo di volo del fotone (precisione migliore di 100ps) e la corretta funzionalità del rivelatore a temperature molto basse e controllate.

  • Camere CMOS di fotorivelatori SPAD per l’acquisizione di immagini 2D mediante conteggio di singoli fotoni
    Abbiamo sviluppato dei chip CMOS con fotorivelatori SPAD di singoli fotoni ed elettronica di conteggio e temporizzazione in tecnologia da 0.35µm CMOS. La matrice si basa su pixel intelligenti composti da rivelatori SPAD, da elettronica analogica di rivelazione dell’innesco e spegnimento della corrente di valanga, elettronica digitale per l’elaborazione del conteggio dei fotoni in arrivo e da stadi di memoria per la lettura globale della camera, mediante approggio global-shutter senza tempo morto di lettura. L’imager di 62x32 SPAD acquisisce immagini e video 2D fino a 100’000 frames/s con dinamica di 8bit nel conteggio di singoli fotoni. Un altro imager di 32x32 SPAD, ciascuno col proprio TDC (Time-to-Digital Converter), acquisisce immagini e video 3D fino a 100’000 frames/s con risoluzione nella misura del tempo di volo di 320ps, corrispondenti a 5cm in spazio nelle misure di distanze mediante tecnica Time-of-Flight (TOF). Una matrice lineare di 32x1 pixel fornisce invece ben 50ps di risoluzione temporale in photon-timing, ossia di alcuni millimetri in misure di distanza. Le elevate prestazioni hanno permesso il conseguimento di importanti risultati, come nel sub-Reyleigh imaging mediante la rivelazione di N-photon e in miglioramenti nella tecnica di Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) e Diffuse Optical Tomography (DOT).