大型高能物理实验探测器是研究宇宙起源、物质最基本构成和相互作用的重要科学装置。处理和传输这些大型科学装置记录的海量数据对现有的数据通信系统是一个极大的挑战。近代高能物理实验一般采用高速光纤链路将采集到的数据送至后端控制室进行进一步地分析。探测器内极高的空间密度和恶劣的辐射环境使得商用设备无法直接使用,实验物理学家必须自定制光传输专用集成电路（ASICs）芯片和光模块来满足系统需求。目前,领域内光发射芯片lpGBT和VTRx+光模块的最大数据传输率达10 Gb/s。发展中的高能物理实验对高带宽低功耗的光纤传输系统仍有着非常大的需求。本课题正是基于此背景,致力于突破当前的传输速率,探讨和研究下一代超10 Gb/s耐辐照的光纤数据链路传输方案,重点对基于四级脉冲幅度调制（PAM4）技术的20 Gb/s耐辐照光纤链路进行了芯片级和模块级的开发。这款自定制PAM4光纤链路主要包括三个部分:发送端芯片GBS20、光发射模块GBT20和光接收芯片GBDS20。本论文重点阐述了发送端芯片GBS20的设计方法和测试结果。芯片中双通道数据发送器共用同一套时钟系统,通过差分组合器对数据进行PAM4编码,实现了速率地提升。芯片共有16个用户接口,每个用户通道内置输入信号相位校准模块,保证数据始终能被正确采样。用户数据在编码器中被扰码,加上合适的帧头以便后端接收器进行解码。数字电路设计采用了 CERN开发的抗辐照工艺库,并对芯片中关键电路和敏感节点使用三模冗余技术进行辐照加固。辐照测试表明,该芯片在累计8.6 x 1013的400MeV的质子束中没有观察到单粒子效应,经过35kGy总剂量（TID）辐照后,其性能也未出现明显地下降。GBT20光模块目前已完成制作,测试工作将于近期展开。为了尽快验证该光纤链路的完整性,接收端芯片GBDS20TIA采用二级差分跨阻放大器等电路模块实现了 PAM4信号的线性传输。模拟仿真结果与预期相符。本论文主要工作和创新点如下:1.首次将数据通讯中的PAM4编码技术应用在高能物理实验光纤数据传输领域,基于65 nm CMOS工艺,成功研发了一款20.48 Gb/s的发送端芯片。数据率是目前领域内最快的数据传输芯片lpGBT的两倍。2.融合了数据发送器和VCSEL激光驱动器,一块GBS20芯片可取代传统的两块芯片,简化了数据传输设计构架。3.提出并设计了一款20.48 Gb/s的PAM4信号接收端芯片,初步仿真结果表明该方案可行性较高,输出信号能完全被FPGA接收,实现了 20 Gb/s PAM4光纤数据链路的收发闭环。4.提出并设计了多款PAM4发送端光模块（GBT20）。GBS20芯片内集成VCSEL偏置电路,可直接驱动VCSEL裸片,使得与发送端光纤链路相关的ASICs均能集成在同一个高密度小尺寸的光模块上。GBT20光模块的最大高度5.75 mm,满足绝大多数高能物理实验对光模块尺寸的要求。基于PAM4技术的光纤链路是突破当前工艺带宽限制的一种有效手段。长远来看,即使后续高能物理实验领域采用更先进的工艺,本文描述的研究方案和设计方法在技术层面和先进性上,对当前高速数据传输的研发工作具有十分积极的推动作用和借鉴意义,同时也为后续光纤链路升级提供了一个重要发展方向。