Progettazione e caratterizzazione di un sistema multicanale ad alte prestazioni per applicazioni TCSPC: il modulo ASI.

The project within which the present thesis is embedded originates from a scientific collaboration between Politecnico of Milano, Politecnico of Bari, and the Italian Space Agency (ASI), aimed at employing quantum methodologies for image acquisition through single-photon detectors. These methodologies enable a significant increase in spatial resolution, and by exploiting the statistics associated with individual photons, they would allow to reduce immensely acquisition times, thereby enhancing temporal resolution. The rapid development of quantum sciences and technologies is paving the way for new methodologies to encode and decode information using extremely weak signals, containing no more than a single photon. This will facilitate the development of new technologies and instrumentation for high-precision sensing and imaging in extreme physical conditions never achieved before. The primary aim of this project is to extend these quantum imaging techniques to the spectroscopic investigation of the image itself and subsequently integrate them with artificial intelligence algorithms. The photon emitted from an uncharacterized source will first be pre-processed in an optical system and subsequently measured with a single photon camera. Alternatively it will be analyzed spectrally in order to obtain the measurement strategy that maximizes the spatial/spectral information obtained depending on the particular application. Finally, the collected data will be used as input to a neural network, appropriately trained to classify and recognize the geometric and physical characteristics of the source. In particular, this thesis project consists in the development of a 128-channel electronic acquisition system for the aforementioned application based on the Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique, pursuing the objective of breaking the current trade-off present in state-of-the-art systems between the degree of parallelism and achievable performance and therefore responding to the increasingly stringent demands of modern TCSPC applications. Furthermore, firmware and software have been developed for the efficient management of the various protocols in order to perfectly integrate the "time-tagging" technique within the hardware module, which has been completely revisited and redesigned. The present work was conducted starting from the analysis of the performances and critical issues of the previous models, extending the former to the aforementioned number of acquisition channels and improving the most problematic aspects such as the parallel acquisition of the detectors, the integrity of the signals along the stages of the system, the temporal precision of the measurements, the management of the electrical and thermal power and, finally, the physical dimensions of the module.

Il progetto all’interno del quale si inserisce il presente elaborato di Tesi nasce da una collaborazione scientifica tra il Politecnico di Milano, il Politecnico di Bari e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) con lo scopo di utilizzare metodologie quantistiche per l’acquisizione delle immagini tramite rivelatori a singolo fotone. Tali metodologie consentono un considerevole aumento della risoluzione spaziale e, sfruttando la statistica associata ai singoli fotoni, consentirebbero tempi di acquisizione estremamente ridotti con un conseguente aumento della risoluzione temporale. Il rapido sviluppo delle scienze e tecnologie quantistiche sta spianando la strada a nuove metodologie per codificare e decodificare l’informazione usando segnali estremamente deboli, che contengano non più di un singolo fotone. Ciò permetterà lo sviluppo di nuove tecnologie e strumentazioni per la sensoristica e l’imaging ad alta precisione in condizioni fisiche estreme e mai raggiunte prima d’ora. L’obiettivo di tale progetto è estendere queste tecniche di imaging quantistico all’indagine spettroscopica dell’immagine stessa e successivamente integrarle con algoritmi di intelligenza artificiale. Il fotone emesso da una sorgente non caratterizzata verrà prima pre-processato in un sistema ottico e successivamente misurato con una telecamera a singolo fotone. Alternativamente verrà analizzato spettralmente al fine di ottenere la strategia di misura che massimizza l’informazione spaziale/spettrale ottenuta in funzione della particolare applicazione. Infine i dati raccolti verranno utilizzati come input per una rete neurale, opportunamente addestrata per classificare e riconoscere le caratteristiche geometriche e fisiche della sorgente. In particolare, il presente progetto di Tesi consiste nello sviluppo di un sistema elettronico di acquisizione a 128 canali per l’applicazione sopracitata basato sulla tecnica del Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC), perseguendo l’obiettivo di rompere l’attuale trade-off presente nei sistemi allo stato dell’arte fra grado di parallelismo e prestazioni raggiungibili e rispondendo quindi alle richieste sempre più stringenti delle moderne applicazioni TCSPC. Inoltre sono stati sviluppati i firmware ed i software per la gestione efficiente dei diversi protocolli al fine di integrare perfettamente la tecnica del “time-tagging” all’interno del modulo hardware, completamente rivisitato e riprogettato. Il presente lavoro è stato condotto partendo dall'analisi delle prestazioni e delle criticità dei modelli precedenti, estendendo le prime al sopracitato numero di canali di acquisizione e migliorando gli aspetti più problematici quali l'acquisizione parallela dei rivelatori, l'integrità dei segnali lungo gli stadi del sistema, la precisione temporale delle misure, la gestione della potenza elettrica e termica e, in ultimo, le dimensioni fisiche del modulo.