Sensing architectures based on Laser ToF and MEMS mirrors

This Ph.D. thesis presents two research projects related to the development of vision and optical measurement systems: the development of a 3D imaging system based on LiDAR technology and the design of a control board for a Silicon Photonics system based on Mach-Zehnder interferometers (MZIs). The first project focuses on the design and prototyping of a 3D camera utilizing Laser Time-of-Flight (ToF) sensing and Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) mirrors. The development began with the definition of the system architecture, identifying the key components such as the laser source, MEMS mirrors for beam steering, a photodetector, and an FPGA for real-time data processing. Once the hardware structure was established, attention was given to the implementation of the laser driver and the control of the MEMS mirrors to ensure precise beam positioning. Simultaneously, an analog front-end was developed to acquire and process the reflected light signals, enabling accurate depth measurements. The core of the system was then developed through the programming of an FPGA, responsible for managing data acquisition, processing signals, and computing distances in real-time. In parallel, a graphical interface was designed to display the reconstructed 3D images, allowing real-time visualization and calibration of the system. Finally, extensive testing and validation were conducted under different conditions to assess accuracy, resolution, and range. The results demonstrated the effectiveness of the system, confirming its potential applications in industrial automation, robotics, and consumer electronics. The second project focuses on the design and implementation of a control board for a Silicon Photonics-based optical switching system utilizing Mach-Zehnder interferometers (MZIs). The research involved the development of a controller architecture capable of dynamically adjusting the optical phase shift to optimize signal routing. A Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm was implemented to regulate the MZ switching behavior, ensuring efficient light transmission across different output channels. The system was developed on a custom Silicon Photonics chip (Alcor) in collaboration with STMicroelectronics and was managed via an STM32 microcontroller. Experimental validation confirmed the effectiveness of the control strategy in achieving precise optical switching, demonstrating its potential applications in high-speed communication networks and optical computing.

Questa tesi di dottorato presenta due progetti di ricerca inerenti allo sviluppo di sistemi di visione e misurazione ottica: lo sviluppo di un sistema di imaging 3D basato sulla tecnologia LiDAR e la progettazione di una scheda di controllo per un sistema di fotonica su silicio basato su interferometri Mach- Zehnder (MZI). Il primo progetto si concentra sul design e la prototipazione di una fotocamera 3D che utilizza il sensore Laser Time-of-Flight (ToF) e specchi Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS). Lo sviluppo e iniziato con la definizione dell’architettura del sistema, identificando i componenti chiave come la sorgente laser, gli specchi MEMS per il controllo del fascio, un fotodetettore e un FPGA per l’elaborazione dei dati in tempo reale. Una volta definita la struttura hardware, e stato dedicato particolare attenzione all’implementazione del driver laser e al controllo degli specchi MEMS per garantire un posizionamento preciso del fascio. Contemporaneamente, e stato sviluppato un front-end analogico per acquisire e processare i segnali di luce riflessa, permettendo misurazioni precise della profondità. Il cuore del sistema e stato sviluppato tramite la programmazione di un FPGA, responsabile della gestione dell’acquisizione dei dati, dell’elaborazione dei segnali e del calcolo delle distanze in tempo reale. In parallelo, e stata progettata un’interfaccia grafica per visualizzare le immagini 3D ricostruite, consentendo la visualizzazione in tempo reale e la calibrazione del sistema. Infine, sono stati eseguiti ampi test e validazioni in diverse condizioni per valutare precisione, risoluzione e portata. I risultati hanno dimostrato l’efficacia del sistema, confermando le sue potenzialità applicative nell’automazione industriale, nella robotica e nell’elettronica di consumo. Il secondo progetto si concentra sulla progettazione e implementazione di una scheda di controllo per un sistema di commutazione ottica basato su fotonica su silicio, che utilizza interferometri Mach-Zehnder (MZI). La ricerca ha riguardato lo sviluppo di un’architettura di controllo capace di regolare dinamicamente lo spostamento di fase ottica per ottimizzare il routing del segnale. È stato implementato un algoritmo di Maximum Power Point Tracking (MPPT) per regolare il comportamento di commutazione degli MZI, garantendo una trasmissione efficiente della luce attraverso i diversi canali di uscita. Il sistema è stato sviluppato su un chip personalizzato di fotonica su silicio (Alcor) in collaborazione con STMicroelectronics ed è stato gestito tramite un microcontrollore STM32. La validazione sperimentale ha confermato l’efficacia della strategia di controllo nel raggiungere una commutazione ottica precisa, dimostrando le sue potenzialità applicative nelle reti di comunicazione ad alta velocità e nel calcolo ottico.