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GIUDICI ANDREACycle: XXXV

Section: Electronics
Advisor: RECH IVAN
Tutor: GERACI ANGELO

Major Research topic:
Design and development of high-performance acquisition systems based on SPAD photodetector arrays

Abstract:
Negli ultimi anni l’interesse scientifico verso lo studio dell’atmosfera e del pianeta Terra è notevolmente aumentato, soprattutto a causa dei cambiamenti climatici in atto. Per poter migliorare la comprensione dei complicati sistemi fisico-chimici che governano l’atmosfera, è stato necessario implementare nuovi sistemi sui satelliti che studiano il pianeta. Il Light Detection and Ranging (LIDAR) è una tecnica di misura “attiva”, ovvero non utilizza la radiazione solare riflessa da un oggetto verso il satellite per caratterizzare l’oggetto stesso, ma necessita di una propria sorgente di luce coerente (LASER) da indirizzare verso l’oggetto di interesse. L’utilizzo di un laser permette una maggior libertà su quando effettuare la misura (giorno e/o notte), e inoltre il fascio non si disperde man mano che ci si allontana dalla sorgente.  L’utilizzo di un sistema LIDAR su un satellite offre il vantaggio di avere una copertura globale e continua, risultato non ottenibile con i LIDAR situati a terra o su aereo; tuttavia questa soluzione pone numerose sfide progettuali in quanto il sistema dovrà lavorare in un ambiente avverso, dovrà consumare poca potenza, essere affidabile e di dimensioni contenute. Il principio di funzionamento del LIDAR in questo ambito sfrutta il fatto che i fotoni inviati dal laser verso la Terra sono soggetti a scattering e riflessione per la presenza di molecole, aerosol, nuvole, plankton,etc. prima di raggiungere il ricevitore del LIDAR. Registrando il numero di fotoni che colpiscono il ricevitore in un determinato periodo temporale si è in grado di estrarre informazioni sulla quantità, sulla posizione spaziale e sul tipo di “oggetto” che ha causato lo scattering. L’obiettivo di questo progetto di ricerca è quindi quello di sviluppare un sistema basato su una matrice di fotorilevatori SPAD con elevata efficienza quantica e bassi conteggi di buio. Il singolo sensore SPAD è polarizzato in inversa ad una tensione maggiore di quella di breakdown e l’assorbimento di un singolo fotone è in grado di innescare una corrente di valanga. Per fermare questo processo e rendere il dispositivo nuovamente in grado di rilevare un fotone è necessario dotare ogni SPAD di un circuito di quenching, che porti la tensione dello SPAD sotto il limite di breakdown. Le performance del circuito di quenching sono critiche per la determinazione della risoluzione spaziale del LIDAR: se il circuito di quenching è troppo lento (tempo morto elevato) il sistema di acquisizione sarà cieco per distanze notevoli; viceversa, un circuito di quenching troppo veloce rischia di compromettere la misura a causa dell’afterpulsing del rivelatore. L’obiettivo di questo progetto è quello di rendere possibile l’utilizzo in LIDAR di matrici di grandi dimensioni di SPAD realizzati in tecnologia custom. Questo metodo di fabbricazione, infatti, ha dimostrato di poter portare alla realizzazione di SPAD con elevata efficienza quantica, bassi conteggi di buio e basso afterpulsing anche con tempi morti inferiori ad 8ns. La tecnologia custom, tuttavia, non consente l’integrazione di elettronica complessa sullo stesso chip del rivelatore. Per questo, l’elettronica di quenching e lettura del segnale verrà realizzata in tecnologia CMOS. Per realizzare un sistema basato su una matrice di grandi dimensioni (>1000 pixel) utilizzando due tecnologie diverse, potendo così scegliere la soluzione tecnologica migliore per ciascuna parte della catena di acquisizione, sarà necessario utilizzare una connessione basata su 3D stacking. Questo approccio richiede fotorivelatori con Through-Silicon Vias ed elettronica compatta: per ogni singolo SPAD il circuito deve garantire funzionalità di quenching/reset del dispositivo, campionamento del segnale ed instradamento.  La progettazione del chip di lettura sarà una parte critica del sistema, in quanto questi tre sotto-circuiti, (quenching, campionamento e logica di instradamento) dovranno soddisfare requisiti stringenti di area occupata e potenza dissipata. Il circuito di lettura e instradamento dovrà inoltre essere in grado di fornire i dati ad un sistema di elaborazione, ad esempio basato su un FPGA, in grado di leggere, salvare e trasmettere i dati ad altre parti del satellite utilizzando un opportuno protocollo robusto e veloce, quale il Camera Link. L’utilizzo nello spazio del sistema pone, inoltre, dei limiti dovuti alle radiazioni spaziali incidenti sul satellite, in particolare i protoni, che possono danneggiare uno o più SPAD della matrice. Questo evento potrebbe far aumentare sensibilmente i conteggi di buio del fotorilevatore, rischiando di compromettere i dati raccolti e rendendo poco affidabile lo strumento. Sarà quindi necessario implementare un algoritmo in grado di individuare gli SPAD con elevati conteggi di buio, in modo tale da poterli disattivare e ripristinare il corretto funzionamento del sistema. Il raggiungimento di questi obiettivi permetterebbe la realizzazione di un sistema di fotorilevatori in grado di avere una risoluzione spaziale elevata e ad alti conteggi. Un sistema di questo genere renderebbe possibile una miglior caratterizzazione dei fenomeni atmosferici che contraddistinguono il nostro pianeta.