空间激光通信是以激光为信息载体的一种新兴的通信技术。与传统的射频通信相比,激光通信在深空超远距离传输时在通信速率、抗干扰性、保密性等方面表现更为优异,且无需申请频段许可,终端设备体积小、重量轻,被称为有望替代射频通信的下一代深空通信技术,得到了各航天大国的青睐。由于具备单光子探测能力且便于集成,自由运转盖革雪崩光电二极管（Geiger-mode Avalanche Photon Diode,Gm-APD）探测器面阵是深空激光通信航天器端信号接收的理想选择之一。然而,通信用Gm-APD探测器面阵读出电路（Readout Integrated Circuit,ROIC）设计面临以下困难:自由运转模式下各像元间的探测及复位是异步的,数据读出时序及电路架构设计复杂;阵列输出的数据量巨大,加之通信应用对读出帧频要求高,数据高速输出设计面临巨大挑战。本文针对空间激光通信用Gm-APD面阵读出电路架构及阵列高速输出问题进行了相关研究和设计。设计了一款32×32激光通信用变周期异步读出电路芯片,并针对高速输出问题进行了如下研究工作:研究了驱动电路的高速响应模型和优化方法,提高了面阵总线的输出带宽;提出了一种变周期扫描电路,通过对无效数据进行压缩实现了高效读出。主要研究内容及成果如下:（1）针对数据高速输出问题,为提高面阵内总线的数据传输能力,首先对高速数据驱动电路模型进行了研究。通过采用集总模型进行传输函数分析,定性明确了影响总线输出带宽的关键参数。进一步采用RCπ（N-1）总线分布参数模型,基于Elmore延时模型建立了精确的响应时间常数表达式。在此基础上,对各个设计参数与带宽、功耗的关系进行了仿真和分析,获得了可使带宽最大化的输出级尺寸的最优设计。研究结果表明,采用输出级及总线的最优设计尺寸,可以有效提高输出带宽。在典型0.18μm CMOS工艺及特定的功耗、面积限定条件下,采用最优设计可使两种驱动电路的3d B带宽分别可达293 MHz和395 MHz。（2）创新性地设计了一种可实现无效数据压缩的变周期快速扫描电路。扫描电路采用相位差运算的方法生成指定宽度的门控,电路结构简单、版图面积仅约320μm2,可集成到像元中。仿真结果表明,电路可根据像元触发情况自适应生成单周期/多周期（1T/n T）门控,有效压缩了未触发像元的输出数据,在稀疏光子探测场景中大幅提高了面阵数据扫描和输出的效率。（3）基于0.18μm 6M1P标准CMOS工艺设计了一种用于自由运转32×32Gm-APD面阵的异步读出电路,芯片面积约为40 mm2,像元中心距为100μm。完成了异步ROIC的整体架构及时序设计,在此基础上对读出架构内的具体电路模块进行了全流程设计。对读出电路芯片进行了相关测试及分析,测试结果表明芯片功能正常,可对光子到达时刻进行分辨,并可根据面阵像元光子触发的有无进行变周期的高效数据输出。在实验室环境光条件下,采用15.6 V偏置、20 MHz时钟输入时,芯片的整体功耗约为195 mW。