5 Um sensor de contagem de fótons único correlacionado no tempo com conversor de tempo para digital histogramador de 14 GS/s

A contagem de fótons única correlacionada no tempo (TCSPC) é uma técnica eficiente em termos de fótons para registrar formas de onda ópticas ultrarrápidas encontradas em diversas aplicações, como medição de distância por tempo de voo (ToF) 1, imagem 3D por ToF 2, microscopia óptica de varredura 3, tomografia óptica difusa (DOT) e sensoriamento Raman 4. A instrumentação típica consiste em uma fonte de laser pulsado, um detector discreto como um fotodiodo de avalanche (APD) ou tubo fotomultiplicador (PMT), uma placa de conversor de tempo para digital (TDC) e um FPGA ou PC para montar e calcular histogramas de marcas de tempo de fótons. O custo e o tamanho restringem o número de canais do hardware de TCSPC. Com poucos canais de detecção e conversão, a técnica é limitada ao processamento de formas de onda ópticas com baixa intensidade, com menos de um fóton retornado por pulso de laser, para evitar distorción de sobreposição 4. No entanto, muitas formas de onda ópticas ultrarrápidas exibem alta faixa dinâmica no número de fótons emitidos por pulso de laser. Exemplos são sinais observados em distâncias curtas em ToF com múltiplas reflexões, fótons refletidos de forma difusa em DOT ou variações locais na concentração de corante fluorescente em microscopia. Este artigo apresenta um chip integrado único que reduz os mecanismos de sobreposição convencionais de TCSPC em uma ordem de magnitude através de realizações ultra-paralelas tanto da detecção de fótons quanto do hardware de resolução temporal. Uma arquitetura de TDC é apresentada, que combina o processo iterado de TCSPC em duas etapas de geração de código de tempo, seguido por busca em memória, incremento e gravação, em uma conversão paralela direta para histograma. O sensor atinge uma resolução de 71,4 ps, com faixa dinâmica de 18,85 ns, com uma taxa de transferência de 14 GS/s. O sensor pode processar 1,7 Gfóton/s e gerar 21 k histogramas/s (com tempo de leitura de 4,6 μs), capturando cada um um total de 1,7 kfótons em uma exposição de 1 μs.