Multichannel CMOS integrated circuits for broadband spectroscopy applications

Advanced spectroscopy techniques are more and more gaining the interest of the research community because find wide and outspreading applications in many different fields like industrial quality control, tumor analysis and new materials engineering. My thesis contributes to this field by designing and operating Application Specific Integrated Circuits (ASICs) for a fast, yet highly resolved, acquisition of spectra obtained with two powerful techniques, namely broadband Raman scattering microscopy and time-resolved pump and probe spectroscopy. The first ASIC was developed in the framework of VIBRA (Very Fast Imaging by Broadband Coherent Raman), an ERC H2020 project coordinated by Prof. D. Polli of Politecnico di Milano. The challenge of the ERC project is to develop a stimulated Raman scattering microscope, that in real time can distinguish different chemical species with a spatial resolution of about 1 μm. The microscope finds its application in the histological field, allowing a fast, safe, contactless, and repeatable tumor analysis. To reach such a result, an ASIC implementing a differential channel readout circuit was designed and integrated in the electronic acquisitions system. The ASIC allows to process in parallel the signals coming from a photodiode arrays with an automatically balanced differential lock-in architecture for a reduction of the optical noise. The developed system acquires a 32 wavelength Raman spectrum in 100 μs, generating an image of a biological sample in only one second, well beyond the state-of-art for similar applications. Once the ERC goal has been achieved, I dedicated myself to the development of a ground-breaking spectrometer for ultra-fast Pump and Probe spectroscopy. The limitations in terms of speed of the current instruments will be overcame using fast repetition rate lasers (1MHz) and a parallel acquisition and processing of many wavelengths (40). These improvements are made possible by a very flexible 20-channels CMOS readout specifically conceived for pump and probe spectroscopy. The chip, based on the switched capacitor technique, acquires the 1MHz pulsed signals and processes them to extract the useful signal with a resolution of few ppm. It strongly relaxes the specification of the following acquisition chain, enabling the development of the full instrument.

Le tecniche di spettroscopia avanzata stanno guadagnando sempre più interesse all’interno della comunità scientifica, grazie al vasto utilizzo in molti campi applicativi come il controllo qualità nell’industria, l’analisi tumorale nel campo biomedico e l’ingegnerizzazione di nuovi materiali. La mia tesi contribuisce al progresso scientifico nel campo della spettroscopia, grazie alla progettazione e all’utilizzo di circuiti integrati custom (ASIC), specificatamente realizzati per l’acquisizione veloce e ad alta risoluzione di spettri ad ampia banda ottica, generati da setup sperimentali di spettroscopia Raman e Pump-Probe. Il primo ASIC è stato progettato nell’ambito di VIBRA (Very Fast Imaging by Broadband Coherent Raman), un progetto ERC H2020 coordinato dal Prof. Dario Polli del Politecnico di Milano. Scopo del progetto è la realizzazione di un microscopio ad effetto Raman in grado di distinguere in tempo reale e con risoluzione spaziale sub-micrometrica differenti specie chimiche. Il prototipo trova la sua applicazione nel campo istologico, permettendo di distinguere in modo rapido, sicuro e ripetibile tessuti biologi sani da tessuti tumorali. Per raggiungere questo risultato è stato progettato un circuito integrato a basso rumore che lavora come front-end analogico differenziale fra il sensore ottico e l’elettronica di lettura. L’ASIC acquisisce i diversi segnali ottici, provenienti da un array di fotodiodi in tecnica Lock-In e, grazie ad un innovativo circuito di auto-bilanciamento, rigetta il rumore generato dal laser di stimolo, aumentando significativamente il rapporto segnale rumore. Il sistema sviluppato acquisisce 32 lunghezze d’onda in soli 100 us, generando una immagine Raman per secondo, ben al di là dello stato dell’arte per applicazioni simili. L’ASIC è stato inserito e testato in un microscopio SRS a larga banda, validandone il funzionamento e consentendo di raggiungere l’obiettivo finale del progetto ERC. Una volta consolidati i risultati nel campo della spettroscopia Raman, mi sono dedicato allo sviluppo di uno spettrometro ad alte prestazioni per spettroscopia Pump-Probe ultraveloce. Le limitazioni in termini di velocità e risoluzione della strumentazione esistente sono state superate grazie all’utilizzo di un laser impulsato ad alto ciclo di ripetizione (1 MHz) e all’acquisizione parallela di diverse lunghezze d’onda (40). Per raggiungere tali prestazioni è stato progettato un ASIC composto da 20 canali di acquisizione, usati come front-end analogico a valle del sensore ottico. Il chip, basato sul principio di funzionamento dei circuiti a capacità commutate, implementa una innovativa tecnica di filtraggio per estrarre e amplificare il segnale utile di pochi ppm, rilassando in modo rilevante le specifiche dell’elettronica successiva. Il chip è stato realizzato e testato, abilitando lo sviluppo dell’intero strumento e mettendo le basi di un possibile brevetto.