Analisi, progetto e realizzazione di un sistema di acquisizione TCSPC a 16 canali parallelizzabili

TCSPC technique is widespread in chemical and biological areas to infer property of molecules and compounds measuring the temporal difference between the time when photons are sent from laser and and when they reach the detector, typically SPAD, that pass trough the sample that we want to analyse. SPADs, once triggered by the arrival of a photon, become insensitive to light for a brief period of time, typically in order of the nanosecond. This can cause the loss of photons that impinging in this time window. Advance in fabrication techniques in recent years allow the integration of more SPAD on the same chip, gathered in matrix, in order to reduce the number of photon lost and increase the amount of information got at the same time, giving the possibility to get spacial information about the light, observing which device is active in matrix at the arrive of a photon. This brings to the necessity of adequate the readout electronics from single to multiple devices and led to the development of new readout techniques. Due to the fact that is not possible to integrate custom SPADs with readout electronics, is necessary to realize this electronic systems externally. A technique in particular consists of routing the signal coming from the device every time photons are detected through a component (the router), in order to avoid having one readout channel for every SPAD. This method becomes efficient when the frequency of conversion of the system is greater then that of the impinging photons per device, allows a better resources allocation and reduce the power dissipation. Also it allows to decrease the communication lines between detector and electronics. The aim of this thesis work is to realize a readout system to insert after the router; purpose of this system is to read the arrival time of the photons at high speed, but from only one channel between it and the router, simplifying the connection. The method used to reach such conversion velocity consists in efficient parallelization of multiple single channel, composed by one Time to Amplitude Converter (TAC) each, which allows to obtain high performance in conversion precision. During test phase more than 80 Mcps of readout speed is reach. Every single channel in this system is however independently accessible, in order to have more versatility.

La tecnica TCSPC è largamente utilizzata in molti ambiti chimici e biologici per inferire proprietà di molecole e composti grazie alla misura della differenza temporale tra l'invio dei fotoni da parte di un laser e il loro arrivo al rilevatore, tipicamente SPAD, passanti attraverso il campione. Gli SPAD, una volta attivati a causa dell'arrivo del fotone, sono insensibili alla luce per un breve periodo di tempo, dell'ordine del nanosecondo. Questo causa la perdita dei fotoni che arrivano in quella finestra temporale. L'avanzamento tecnologico nella fabbricazione dei dispositivi ha consentito di avere più SPAD nello stesso chip, raccolti in matrici, in modo da ridurre il numero di fotoni persi e aumentare la quantità di informazione ottenuta a pari misura, dando la possibilità di ottenere informazioni spaziali sulla luce osservando quale dispositivi si attiva nella matrice all'arrivo del fotone. Questo ha però portato alla necessità di adeguare l'elettronica già esistente e operante, per un solo dispositivo, a matrici di SPAD e portando allo sviluppo di nuove tecniche di acquisizione. Non essendo possibile integrare SPAD custom insieme all'elettronica di lettura, a causa della differenze nei processi di realizzazione, è necessario realizzare il sistema di acquisizione esternamente. Una tecnica in particolare consiste nell'instradare i segnali provenienti dai dispositivi ogni volta che rilevano i fotoni attraverso un componente, detto router, in modo da evitare di avere un canale di lettura per ogni SPAD. Inoltre il numero di linee di comunicazione tra detector e elettronica è notevolmente ridotte. Questo metodo risulta efficiente nel momento in cui la frequenza di conversione del sistema supera quella arrivo dei fotoni per dispositivo, permettendo una più efficiente allocazione delle risorse e un minor consumo di potenza. In questa tesi si è quindi realizzato un sistema che all'uscita del router consenta la lettura dei tempi di arrivo dei fotoni ad elevata velocità, ma attraverso un solo canale di comunicazione con il router per semplificare le connessioni. Queste prestazioni si sono ottenute grazie alla parallelizzazione efficace di più canali singoli, composti da un Time to Amplitude Converter (TAC) ognuno, il quale consente di ottenere ottime prestazioni per quanto riguarda la precisione della conversione. La velocità di conversione raggiunta durante i test è di oltre 80 Mcps. I canali singoli sono comunque accessibili in maniera indipendente, rendendo il sistema versatile.