High throughput electronic module for multidimensional TCSPC instruments

Photoluminescence is the phenomenon of light emission from a substance after the absorption of photons. In many science fi elds, recovering the waveform of the original f uorescence pulse is of utmost importance. Time-correlated single-photon counting (TCSPC) technique is the ultimate answer: with picosecond accuracy, it allows the reconstruction of fast and faint decay curves. Time-tag recording mode is a variant of the TCSPC technique that, rather than shaping photon probability distributions, records the arrival time of each detected pulse both from the beginning of the experiment and within each stimulation period. A typical measurement involving the time-tag mode requires up to hundreds of megabytes transfer capabilities that, combined with modern multi-channel instruments, give rise to a demand of extremely fast communications protocols. In this work, a high performance Data Management Board featuring both SuperSpeed USB 3.0 and Ethernet 10GBASE-X links will be presented as part of a 1024- channel TCSPC instrument currently under development. This board acts primarily as the focusing point for two streams of data originated from two twin 32-channel TCSPC modules. Eventually, it is in charge of control tasks and mechanical support to the whole instrument. Nowadays, the USB 3.0 represents the most common connection between peripheral devices and PC. The Cypress EZ-USB FX3 is the controller that manages the SuperSpeed USB 3.0 link on the Data Management Board: in cooperation with a FPGA that gathers data from the TCSPC boards, they implement a FIFO interface allowing to download information at almost 400 MB/s. Despite its simplicity and bitrate, the USB 3.0 does not comply with the 1024-channel TCSPC throughput requirement. Therefore, it has been decided to develop a parallel communication channel featuring higher performance. The 10GBASE-X is a networking technology capable of delivering serialized data at a line rate of 10.3125 Gbit/s. By employing a Small Form- Factor Pluggable (SFP+) optical module in conjunction with high performance FPGA transceivers, the Data Management Board is capable of transferring data over ber optics toward a PC up to 400 m away from the experiment setup.

Per fuorescenza si intende l'emissione di fotoni da parte di un campione sottoposto ad eccitazione con luce nello spettro del visibile. La forma d'onda del segnale ottico riemesso è sfruttato in molte applicazioni, a partire dallo studio delle molecole biologiche no ad arrivare alla mappatura spaziale di oggetti tridimensionali. La tecnica di misura di Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) consente di ricostruire queste curve di f uorescenza rivelando l'istante di arrivo di ogni singolo fotone ed elaborando un istogramma che rappresenta l'intensità del segnale luminoso. La modalità Time-Tag è una variante della tecnica TCSPC che registra l'istante di arrivo dei fotoni rispetto all'inizio dell'esperimento e il ritardo rispetto ad ogni impulso di eccitazione. Applicazioni come la Fluorescence Correlation Spectrospy (FCS) e la Föster Resonance Energy Transfer (FRET) sfruttano il Time-Tag su un numero elevato di rivelatori, motivo per cui il nostro gruppo di ricerca si sta dedicando allo sviluppo di un sistema TCSPC a 1024 canali. In questo sistema, la grande mole di dati da inviare verso il PC ha richiesto lo studio dei più recenti protocolli di comunicazione veloce. In questo lavoro di tesi, dopo un'attenta analisi dei canali di trasmissione dati ad alte prestazioni, sono stati testati su kit di sviluppo il protocollo SuperSpeed USB 3.0 (5 Gbit/s) e l'Ethernet 1000BASE-X (1 Gbit/s), creando al contempo software appositi per la ricezione dei dati su PC. In ne, avendo veri cato le loro integrabilità, sono stati implementati entrambi su un'unica scheda migliorando la trasmissione Ethernet alla versione 10GBASE-X (10 Gbit/s). Il controller EZ-USB FX3 della Cypress unitamente ad una FPGA Kintex-7 della Xilinx si occupa della comunicazione USB 3.0, mentre un modulo ottico Small Form-Factor Pluggable (SFP+) pilotato sempre dalla stessa FPGA si occupa del protocollo Ethernet. Oltre alla gestione del trasferimento dati, la scheda realizzata si occupa anche del controllo da remoto dell'intero sistema TCSPC, garantendone al contempo la stabilità meccanica.