Progetto e realizzazione di una scheda di validazione di algoritmi di instradamento per sistemi TCSPC multicanale

There has been a growing interest over the last years in the analysis of extremely weak and fast light signals. It finds applications in various fields, such as medicine, biology and chemistry. The TCSPC technique (Time Correlated Single Photon Counting) allows to obtain a better temporal resolution than analog techniques, allowing to make measurements with resolutions otherwise impossible, even if it requires longer acquisition times. To overcome this drawback it is possible to parallelize the acquisition on several channels. However, nowaday there is a trade-off between the number of channels and performance. To break this trade-off, a novel architecture has been proposed by the research laboratory where this thesis has been carried out, to select and route the timing signals coming from a matrix composed by 32x32 SPAD sensors Single Photon Avalanche Diode) to 5 high performance acquisition chains, which allow to obtain a temporal resolution of less than 20 ps. The core of the architecture is a routing circuit which will be implemented on an integrated circuit, along with all the electronics that permits to operate the detectors. The aim of this thesis is to create a board that allows to test and validate the behavior of the routing algorithm implemented on a discrete reconfigurable device (FPGA), and to complete the system in a preliminary form in order to be able to test it as a whole. A board was developed to accommodate an array of 8 SPADs in place of the 32x32 matrix which is still under development. A second board has been designed which interfaces with the first one and the rest of the system. This board implements 8 delay chains with discrete components to give time to the algorithm to perform a selection. The delay chains allow to finely tune the introduced delay, in order to allow maximum reconfigurability and to test different routing algorithms that will be proposed in the future by the research group.

Negli ultimi anni si è assistito ad un sempre crescente interesse per l'analisi di segnali luminosi estremamente deboli e veloci. Essa trova applicazioni in diversi campi, quali la medicina, la biologia e la chimica. La tecnica TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting) consente di ottenere una risoluzione temporale migliore rispetto alle tecniche analogiche, permettendo di effettuare misurazioni con risoluzioni altrimenti impossibili, a discapito di tempi di acquisizione più lunghi. Per superare questo ostacolo è possibile parallelizzare l'acquisizione su più canali. Tuttavia ad oggi è presente un trade-off tra numero di canali e prestazioni. Per rompere questo trade-off, all'interno del laboratorio di ricerca presso il quale si inserisce questo lavoro di tesi, è in corso di sviluppo un sistema in grado di selezionare ed instradare i segnali di timing provenienti da una matrice costituita da 32x32 sensori SPAD (Single Photon Avalanche Diode) verso 5 catene di acquisizione ad elevate prestazioni, che consenta di ottenere una risoluzione temporale inferiore a 20 ps. Il cuore del sistema è un algoritmo di routing che verrà realizzato su un circuito integrato insieme a tutta l'elettronica necessaria al corretto funzionamento dei rivelatori. Lo scopo di questa tesi è di realizzare una scheda che permetta di testare e validare la bontà dell'algoritmo di routing tramite un dispositivo riconfigurabile (FPGA), e di completare il sistema in forma preliminare per poterlo testare nell'insieme. Si è provveduto a realizzare una scheda in grado di ospitare un array di 8 SPAD in sostituzione alla matrice 32x32 ancora in fase di sviluppo. E' stata realizzata una seconda scheda che si interfaccerà con la prima ed il resto del sistema, e che implementa 8 catene di ritardo con componenti discreti per dare il tempo all'algoritmo di routing di completare l'instradamento. Le catene di ritardo permettono di regolare finemente il ritardo introdotto, in modo da permettere la massima riconfigurabilità e di testare diversi algoritmi di instradamento che verranno via via proposti all'interno del laboratorio di ricerca.