60 pixel detector module for single photon time resolved spectroscopy

In the last few decades, the need for compact systems able to perform Time-resolved spectroscopy is becoming more and more important in many fields of science, e.g. medicine and science of materials. One way to obtain such measurement is to employ a time-resolved wide-spectrum single-photon detector array and, by means of an optical prism, send each incoming wavelength on a different detector within the array. The linear 60x1 SPAD array, developed by the SPADLab, is based on 60 smart-pixels, each containing a high performance, high linearity TDC that provides the means to efficiently convert as a 10-bit digital code the arrival time of photons. By using the TCSPC (Time-Correlated Single Photon Counting) technique, it is then possible to reconstruct the shape of the incoming optical pulse. One of the most important parameters that must be considered when performing the timing measurements is the throughput: at this purpose, this thesis work is based on the development of an optimized firmware for the 60x1 linear array that supports both photon-counting (i.e., counting the rate of photons impinging on the array) and photon-timing (i.e., detect each photon arrival time in respect to the laser excitation) operations. This firmware provides the possibility to compute the TCSPC histograms directly on the FPGA, thus enhancing the throughput since it is not necessary to perform heavy operations on software side. In addition to the hardware-based histogram computation, in order to increase the frame rate in the timing measures, a USB 3.0 (SuperSpeed) connectivity was included in the design phase, thus allowing to reach higher data transfer rates.

Negli ultimi decenni, la necessità di sistemi compatti in grado di eseguire misure risolte in tempo per applicazioni spettroscopiche sta diventando sempre più importante in molti campi della scienza, ad esempio nel campo biomedico e nelle scienze dei materiali. Un modo per effetture tale misure è quello di impiegare un array di rivelatori a singolo fotone e, per mezzo di un prisma ottico, inviare le diverse componenti spettrali del segnale da misurare su ciascun rivelatore all'interno del’array. L’array lineare di 60x1 SPAD, sviluppato dallo SPADLab, è costituito da 60 smart-pixel, ognuno dei quali contiene un TDC ad elevate prestazioni, specialmente per quanto riguarda la linearità, che rende possibile convertire in modo efficiente il tempo di arrivo dei fotoni in un codice digitale a 10 bit. Utilizzando la tecnica TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting), è possibile ricostruire la forma dell'impulso ottico sotto esame. Uno dei parametri più importanti per misure di tipo TCSPC è il throughput: a questo scopo, nel lavoro di tesi è stato sviluppato un firmware ottimizzato per l'array lineare 60x1, in grado di supportare sia le operazioni di photon-counting (misurando il tasso di fotoni giunti sull’array) che quelle di photon-timing (rivelando il tempo di arrivo di ogni fotone rispetto alle eccitazione laser). Il firmware sviluppato fornisce la possibilità di calcolare gli istogrammi di TCSPC direttamente in FPGA, migliorando così il throughput in quanto non è necessario eseguire operazioni su elevate quantità di dati lato software. Sempre con l’obiettivo di migliorare il throughput ottenibile, in fase di progettazione si è scelto di sfruttare l’elevata velocità della connessione USB 3.0 (SuperSpeed), permettendo così di raggiungere velocità elevate nel trasferimento dei dati.