Progetto di un circuito integrato multicanale con struttura differenziale autobilanciata per applicazioni di spettroscopia Raman

The aim of the thesis is the design of a multichannel integrated circuit built to acquire optical signals, using Lock-In technique for Raman spectroscopy application. Every organic compound is characterized by a vibrational spectrum, that can be analyzed, observing the interaction between laser beams and a biological sample. The Raman spectrum of the material is obtained by studying the wavelength shift between the incident photons and the emitted photons for Raman scattering effect. The thesis was developed as part of the VIBRA project, Very fast Imaging by Broadband coherent RAman, an ERC project headed by Prof. Dario Polli in the Department of Physics of Politecnico di Milano. The aim of the research is to acquire images at quasi-Video Rate frequency of biological samples, where the Raman spectrum of observed molecules is associated at each pixel. The goal is to build a microscope to observe and characterize organic compounds in real time. The integrated circuit is composed by a front-end that reads and extracts the optical modulated Raman signal, that is converted in current by a photodiodes array. Every reading channel is composed of a low noise preamplifer and a circuit to measure and filter the mean input current, that is some orders of magnitude greater than Raman signal. The dominant contribution of noise is due to the laser source power fluctuations. For this reason, a differential reading structure is implemented. Two light beams, generated from the same laser source, are acquired. In the first one is included the Raman signal, the second one is the reference signal. The reading channel acquires the two input current signals, automatically equalizes the two amplitudes and subtracts them. The laser fluctuations, in this way, are rejected like a common mode signal and the tiny Raman signal can be amplified, without being limited by the electronic saturation. In each channel finally, there is a demodulator that flips the signal in baseband, so the output of the circuit is a DC voltage proportional to the Raman signal.

L’obiettivo della tesi è il progetto e la realizzazione di un circuito integrato multicanale per l’acquisizione di segnali ottici utilizzando la tecnica Lock-In, volto ad applicazioni di spettroscopia Raman. Ogni specie chimica è caratterizzata da un proprio spettro vibrazionale, che è possibile analizzare facendo interagire dei fasci laser con il campione di interesse e studiando i fotoni emessi con una lunghezza d’onda differente da quella incidente per effetto Raman, ottenendo il cosiddetto spettro Raman del campione. La tesi si pone nel contesto del progetto VIBRA, Very fast Imaging by Broadband coherent RAman, un progetto ERC coordinato dal Prof. Dario Polli del Politecnico di Milano. Scopo del progetto è acquisire immagini con frequenza vicina al video Rate in cui ad ogni pixel sia associato lo spettro Raman del campione in quel punto, così da ottenere un microscopio in grado di fornire l’informazione chimica e funzionale oltre che strutturale dei materiali analizzati. Il circuito integrato progettato implementa l’elettronica di lettura e di estrazione dei segnali Raman modulati otticamente e convertiti in corrente elettrica da un array di fotodiodi. Ciascun canale di lettura ha un preamplificatore a basso rumore con un’opportuna rete per misurare e gestire correttamente la corrente media in ingresso, di svariati ordini di grandezza maggiore del segnale Raman. Con il preamplificatore progettato il rumore dominante atteso è dovuto al laser che genera i fasci luminosi. Per ridurne l’effetto si è implementata una lettura differenziale sfruttando due fasci luminosi generati dalla stessa sorgente, e quindi afflitti dalle stesse fluttuazioni di potenza, uno contenente il segnale Raman ed uno utilizzato come riferimento. Il singolo canale del chip acquisisce i due segnali, ne equalizza automaticamente le ampiezze tramite un apposito circuito di bilanciamento e ne valuta la differenza, così da cancellare l’effetto delle fluttuazioni della potenza media del laser ed esaltare il piccolo segnale Raman. Ciascun canale include, infine, un demodulatore lock-in che consente di rendere disponibile un’uscita analogica a bassa frequenza proporzionale al segnale Raman.