ATLAS探测器是目前高能物理中规模最大的实验LHC的一个重要组成部分。ATLAS探测器有着庞大的数据传输需求,尤其是从具有辐射环境的探测器前端到后端up link方向上。针对此需求,抗辐射的光纤数据发送系统在ATLAS的数据传输中起着至关重要的作用,例如CERN的Versatile Link, Giga Bit Transceiver (GBT)等。然而随着LHC探测器Phase Ⅰ、Phase Ⅱ阶段升级目标的提出,数据传输压力进一步提升,GBT和Versatile Link中的某些模块、芯片无论在体积上或速率上都已不能满足升级后的数据传输要求。更高密度、更高带宽的抗辐射光纤发送系统成为LHC升级计划中不可回避的需求。面向LHC Phase Ⅱ阶段升级目标,本文阐述了一个下一代基于阵列式VCSEL激光器的抗辐射12通道并行光纤发送模块(ATx)的研发。这也是高能物理领域第一个通过实测的并行光纤发送实物模块。ATx模块将业界最新的微棱镜阵列式光耦合技术首次引入高能物理领域,并自主设计了一套主动式光学器件对齐安装方案,解决了并行光纤发送模块研制中核心的um量级对齐难题。在2cm×2cmx4.3mm空间内,ATx模块实现了阵列式激光器芯片、激光器驱动芯片,阵列式光学器件、光电封装、高密度高速基板的结合。配合商用阵列式驱动芯片,ATx模块在不到硬币大小的空间内,实现了总数据发送能力120Gbps(12×10Gbps/ch),误码率小于1E-12的光纤数据发送通道,实测捕获的光眼图通过了眼图模板测试。其单位空间内的数据发送能力数十倍于传统的单通道光纤发送模块。为实现一个完整的抗辐射并行光纤发送模块,还需要一个抗辐射的阵列式VCSEL激光器驱动芯片。在本文第三章阐述该阵列式激光器驱动ASIC芯片(LOCld2014)的设计。LOCld2014是一个4通道,8Gbps/ch,采用open-drain直流耦合驱动方式,基于天然抗辐射0.25SOS CMOS工艺设计的阵列式VCSEL激光器驱动芯片。该芯片也是高能物理领域第一个工作在8Gbps/ch速率下的阵列式激光器驱动芯片。其以超低电压摆幅的CML信号(差分峰峰200mV)作为输入信号,输出7.5mA的调制电流以及6.25mA的偏置电流以驱动激光器负载。每个通道由五级预防大,及一级最终驱动级构成。在5级预防大级中使用了有源并联峰化技术,大幅提升了SOS工艺在工艺尺寸上带来的带宽限制。在最后的主驱动级中创新性地使用了双臂平衡式的输出结构,取消了常规设计中额外的偏置电流电路。该设计有效地抑制了电源上的高频交流成分,减小地反弹噪声与多通道间的串扰。LOCld2014芯片在8Gbps/ch工作速率,相邻通道同时工作的情况下,通过了误码率测试,误码率在99%置信度下小于1E-12。同时实测捕获的光眼图通过了眼图模板测试。其通道间串扰明显小于之前在验证ATx模块时使用的商用阵列式激光驱动芯片。随着ATx模块,以及LOCld2014芯片的设计完成,最终实现了一个完整的抗辐射并行光纤发送模块。这也是高能物理领域第一个将核心芯片设计、模块设计、模块中核心的光路对齐过程全部自主设计,完整的并行光纤发送模块的研发。无论是芯片设计、模块研制均创造了高能物理领域的多个第一。除了针对LHC Phase Ⅱ第二阶段升级而研发的ATx模块和LOCld2014芯片,本文还介绍了一个光纤数据发送系统中数字接口ASIC芯片(LOCic)的设计。该芯片将应用于LHC ATLAS LAr液氩量能器Phase Ⅰ第一阶段升级。LOCic接收2个ADC共8通道640M串行数据,完成扰码、CRC8校验码生成、BCID计数码生成、组帧等功能,最终以16位320M的并行数据输出,芯片内部工作时钟为320M.该芯片中,带有位宽转换功能的FIFO接口模块能够允许两个ADC输出之间存在高达3.125ns的整体相位差(超过1.5625的设计指标)；自定义的BCID计数编码方式仅使用4bit位宽实现了3937个计数标定；同时以16位宽度并行工作的Scrambler扰码模块和CRC8校验满生成模块,经过特殊硬件优化后,组合逻辑复杂度被显著缩减了,大大提升了芯片内的时序裕度。该芯片目前已通过实测,所有逻辑功能与电子学指标均达到设计预期,同时远优于需求指标。本论文的创新点主要表现在如下几个方面：1.高能物理领域第一个12通道并行光纤发送模块实物,并通过测试。配合商用芯片,该模块在2cm×2cm×4.3mm大小空间内,实现120Gbps总数据发送能力。2.首次将业界最新的微棱镜阵列光耦合方式引入高能物理领域。同时自行设计的低成本、可靠的主动式对齐方案,解决了并行光纤模块中最核心的um量级对齐难题。3.高能物理领域第一个工作在8Gbps/ch速率的阵列式VCSEL激光器驱动芯片。在驱动芯片最后一级,创新性地使用了双臂平衡式结构,取消了额外的偏置电路,有效抑制了电源上的地反弹噪声和多通道间的串扰。