Software architecture for high throughput TCSPC multichannel system: reaching 2.56 Gbps in time-tagging mode measurements

Data acquisition through Single Photon Avalanche Diode (SPAD) detectors is radically changing sensors and quantum imaging, allowing information with high spatial and temporal resolution to be obtained even in extremely weak light signal conditions. The use of quantum methodologies allows researchers to optimize the use of the statistics associated with individual photons to reduce acquisition times and improve the quality of the information obtained. All this finds particular use in life-science applications (biomedical analysis techniques and micro and nano analytical genetic diagnostics) and in the acquisition of images and videos at very high sensitivity and speed, used for two-dimensional spectroscopy and for three-dimensional mapping of objects and scenes using the time of flight of individual photons. The scientific collaboration between Politecnico di Milano, Politecnico di Bari and Agenzia Spaziale Italiana (ASI) fits into this context. Within this technological framework, this thesis work focuses on the development of advanced software for the management of data acquired by a 64-channel electronic system. The main objective is to fully exploit the bandwidth of USB 3.0 Superspeed to implement the time-tagging technique in the context of Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). Through a software architecture organized into classes, the program will offer a flexible interface for configuring the data received, allowing the user to alternate between the "histogram" mode for real-time graphical visualization and the "time-tagging" mode for detailed analysis of the arrival time of each photon. In order to keep up with the continuous evolution of research, in addition to optimizing acquisition performance, the software will introduce a more efficient programming paradigm compared to the current system adopted in the laboratory, with the aim of optimizing the code writing method in use for decades. The adoption of object-oriented parallel programming will improve the modularity, scalability and maintainability of the code, facilitating any future extensions of the system and ensuring greater efficiency in the management of the acquired data.

L’acquisizione di dati tramite rivelatori a singolo fotone sta rivoluzionando la sensoristica e l'imaging quantistico, permettendo di ottenere informazioni con elevata risoluzione spaziale e temporale anche in condizioni di segnale luminoso estremamente debole. L'impiego di metodologie quantistiche consente di ottimizzare l'uso della statistica associata ai singoli fotoni per ridurre i tempi di acquisizione e migliorare la qualità dell'informazione ottenuta. Tutto ciò trova particolare impiego in applicazioni di tipo life-science (tecniche di analisi biomedica e diagnostica genetica micro e nano analitica) e nell'acquisizione di immagini e video ad elevatissima sensibilità e velocità, adoperate per la spettroscopia bidimensionale 2D e per la mappatura tridimensionale 3D di oggetti e scene mediante il tempo di volo dei singoli fotoni. In questo contesto si inserisce la collaborazione scientifica tra il Politecnico di Milano, il Politecnico di Bari e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), ed all'interno di questa cornice tecnologica, il presente lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo di un software avanzato per la gestione dei dati acquisiti da un sistema elettronico a 64 canali. L'obiettivo principale è sfruttare interamente la larghezza di banda della USB 3.0 Superspeed per implementare la tecnica del time-tagging nel contesto del Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). Attraverso un'architettura software organizzata in classi, il programma offrirà un'interfaccia flessibile per la configurazione dei dati ricevuti, permettendo di alternare la modalità “istogramma” per la visualizzazione di garfici in tempo reale e la modalità “time-tagging” per l'analisi dettagliata del tempo di arrivo di ogni fotone. Al fine di stare al passo con la continua evoluzione della ricerca, oltre all’ottimizzazione delle prestazioni di acquisizione, il software introdurrà un paradigma di programmazione più efficiente rispetto ai sistemi attuali, col proposito di ottimizzare il metodo di scrittura di codice in uso da decenni. L’adozione della programmazione orientata agli oggetti migliorerà la modularità, la scalabilità e la manutenibilità del codice, facilitando eventuali estensioni future del sistema e garantendo una maggiore efficienza nella gestione dei dati acquisiti.