Conception d’un système d’acquisition de données pour une matrice de photodiodes à avalanche monophotonique conçue en technologie CMOS 65 nm

Abstract

La détection de photons est au coeur de plusieurs domaines d’applications avec des besoins néanmoins différents. Il est de plus en plus nécessaire d’être en mesure de calculer le temps de vol entre le temps d’émission d’un photon et son temps d’arrivé. Les applications médicales, comme la tomographie d’émission par positrons et la tomographie optique diffuse, nécessitent également l’utilisation de détecteurs qui bénéficieraient grandement du calcul du temps de vol. Le projet de ce mémoire fait partie d’un projet de conception d’un circuit intégré à application spécifique conçu en technologie CMOS TSMC 65 nm (CIAS) comportant une matrice de photodiodes à avalanche monophotonique capables de détecter la présence d’un seul photon. Sa caractéristique principale est l’intégration d’un convertisseur temps numérique à l’intérieur de chaque pixel de la matrice. Cette caractéristique fait en sorte que chaque photon détecté par un pixel est associé à une estampe de temps. Un tel système peut générer une grande quantité de données. Ce mode de fonctionnement est appelé comptage monophotonique corrélé en temps (CMCT), outre ce mode de fonctionnement, la matrice est également en mesure de supporter un deuxième mode où on fait la somme des photons détectés, on parle du mode de comptage monophotonique non corrélé en temps (CMNCT). La solution proposée dans ce document consiste en un circuit de lecture de données ainsi qu’un système d’acquisition de données pour gérer le flux de données générées par cette matrice. La première partie du circuit de lecture de données dans le CIAS se trouve à l’intérieur d’un pixel qui mesure environ 25×25 µm2 et qui fait l’interfaceavecleconvertisseurtempsnumérique.Lasecondepartiegèrelacommunication entre les pixels et le monde externe au CIAS. Un système d’acquisition de données externe au CIAS, conçu dans une matrice de portes programmables (MPP), permet d’interfacer avec le circuit de la matrice, de synchroniser, recevoir les données et transmettre des commandes. Il communique également avec une interface usager graphique (IUG) qui permet de contrôler et d’automatiser les tests de caractérisation. Les débits de transmission sont de 6M événements/s (mode CMCT) et de 12,5M événements/s (mode CMNCT) pour le lien CIAS-MPP et de 20k événements/s (mode CMCT) et de 41k événements/s (CMNCT) pour le lien MPP-IUG.