Progetto di una logica digitale integrata per la selezione di segnali provenienti da un array di fotorivelatori SPAD

Over the past few years, Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) has become a key measurement technique for the detection of extremely fast and faint optical signals, thus being spread among many fields, both scientific and industrial. In a typical TCSPC experiment, a sample is excited by means of a pulsing and periodic laser source; then, photons re-emitted by the sample and impinging on the detector are recorded to form a histogram depending on their arrival times within the excitation period. However, the technique is inherently long, indeed to achieve a proper representation of the signal’s waveform a statistically significant amount of data must be recorded; moreover, the speed of the single acquisition channel cannot be freely increased, since to avoid distortion in the measurement, a maximum rate of detection must be observed. Consequently, research has been focusing to define whether a parallelization of the detection system is possible, with the final goal of speeding up the measurement. In the last decade, the development of multichannel acquisition systems has basically followed two trends: on one hand, the parallelization of structures based on discrete components; on the other hand the exploitation of CMOS technology has permitted the integration of both acquisition channels and detectors on the same chip. Resorting to the first option means limiting the degree of parallelism to only 4 or 8 channels, while the second enables even hundreds of channels, although suffers from a trade-off between number of channels and performance. The approach followed in this thesis is completely orthogonal to what other researchers currently pursue. Indeed, it has to be taken into account that speeding up the measurement by means of a great number of conversion channels also implies a larger amount of data, that could easily lead to a downstream data-transfer bottleneck. Therefore, considering the downstream limit and the dimension of the timing data, I have stated the number of conversion channel which ensures a full exploitation of the bandwidth. Furthermore, the size of the detection system plays a fundamental role since it must guarantee both a truly parallel analysis of the sample and a complete use of converters: the acquisition channel computes a conversion for each laser period, meanwhile the single detector has a probability to detect an event much lower than one. As a consequence, it is necessary to introduce an intermediary circuit that joints the two part by means of dynamic connections, enabling all the detectors to have the same probability to be connected toward the set of converters. With this focus I have developed the routing logic. This thesis is organized as follows. In chapter 1 the principles of TCSPC are presented, along with a discussion of state-of-art acquisition systems. Chapter 2 contains the explanation of the logic, after showing Its effectiveness among other approaches. Finally in chapter 3 is illustrated the design of the circuit, verifying its feasibility and simulating the real behaviour.

Negli ultimi anni la Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) è diventata una tecnica di riferimento per la rivelazione di segnali ottici estremamente veloci e a bassa intensità, trovando così applicazione in molti ambiti, sia scientifici che industriali. Il principio di funzionamento della TCSPC consiste nell’eccitazione di un campione tramite un segnale ottico impulsato e periodico emesso da un laser, e nella successiva registrazione dell’istante di arrivo di ogni fotone riemesso dal campione. Gli eventi rivelati vengono registrati in un istogramma in funzione del loro istante di arrivo. La tecnica è però intrinsecamente lenta perché bisogna registrare una mole di dati che sia statisticamente significativa affinché l’istogramma ricostruisca la forma d’onda del segnale nel tempo. Inoltre, la velocità di misurazione di un singolo canale TCSPC non può essere aumentata a piacimento poiché esiste un massimo rate di rivelazione per evitare la distorsione della registrazione. La ricerca si è quindi focalizzata su una parallelizzazione della singola catena di acquisizione in modo da velocizzare la misura. Ultimamente, lo sviluppo dei sistemi multicanale ha seguito sostanzialmente due andamenti: da una parte, la parallelizzazione di moduli a componenti discreti; dall’altra l’integrazione in tecnologia CMOS dei canali di acquisizione con i relativi rivelatori. Tramite il primo approccio sono stati sviluppati sistemi limitati a poche decine di canali di conversione, mentre con la tecnologia CMOS si è arrivati anche ad avere centinaia di canali, ma questo approccio risente del compromesso tra un elevato numero di canali e le performance del sistema. Il mio lavoro di tesi si colloca ortogonalmente agli sviluppi avvenuti finora. Bisogna infatti considerare che, volendo aumentare la velocità del sistema tramite l’integrazione di un elevato numero di canali di conversione, si avrà un crescente trasferimento di dati verso il processore esterno, rischiandone la saturazione. Sono quindi partita prendendo in considerazione il limite imposto a valle e, nota la grandezza dell’informazione temporale fornita dai convertitori, ho stabilito il massimo numero di circuiti di conversione che permettesse di sfruttare pienamente la banda. Bisogna però definire altrettanto attentamente il blocco di rivelazione, il quale deve risultare esteso, sia per garantire una reale analisi in parallelo del campione, che per assicurare la massima operatività dei convertitori messi a disposizione: mentre il canale di conversione elabora un dato per ogni impulso laser, il singolo sensore ha una probabilità di rivelare un evento nello stesso intervallo temporale molto inferiore a uno. È quindi necessario introdurre un circuito intermediario che, tramite delle connessioni dinamiche, garantisca a tutti i sensori la stessa probabilità di avere accesso al set di convertitori. A questo scopo ho implementato la logica del router. Il lavoro di tesi è organizzato come segue. Nel primo capitolo vengono introdotti i principi della TCSPC, assieme ad un confronto tra i sistemi di acquisizione presenti nello stato dell’arte. Nel secondo capitolo viene presentata la logica del router, dopo averne verificato l’efficienza nell’estrazione dei dati generati tramite un confronto con i sistemi finora implementati. Infine, nel terzo capitolo è riportata l’implementazione dell’architettura, verificandone dunque la fattibilità e simulandone il reale funzionamento.