抗辐射并行光纤数据发送模块及抗辐射激光器驱动ASIC芯片的研发

With the booming developments of high-energy physics experiments, space experiments and new detectors, the data rates proposed for font-end readout electronics is foreseen to increase exponentially. And these specific readout environments also impose additional requirements for the front-end data transmission systems in terms of the form factor, the power consumption and the radiation-tolerance. 850 nm VCSEL array based parallel optical transmitter, featuring the advantages of high-bandwidth, high-density and radiation-tolerance, has become the most potential candidate for the data transmission in the next-generation high-energy physics experiments. This project will propose the development of a fully-customized, radiation-tolerant, parallel optical transmitter from two steps. Firstly, key issues of the module-level development, including high-speed electrical/optical interface designs, array optical component alignment/assembly and radiation-tolerance verification, will be solved. Secondly, a 4 ch x 14 Gbps/ch radiation-tolerant VCSEL Array driver will be designed. After integrated within the customized array optical transmitter, the whole module of 4-ch x 14 Gbps data capability will be the first fully-customized, radiation-tolerant array optical module for the domestic high-energy physics experiments. As a continuous research on VCSEL driver ASIC design, a PAM4 VCSEL driver will also be proposed, designed and tested. And this will be the first time that a PAM4 VCSEL driver ever designed for the high-energy physics experiment.

随着大型高能物理实验、空间实验的不断发展，探测器前端数据传输的总带宽不断攀升，读出环境对于电子学在体积、功耗和抗辐射方面的要求也不断提高。适应于未来高能物理需求的高速数据传输方案将成为前端数据读出的基础架构之一。基于VCSEL Array的并行光纤数据传输模块在抗辐射、高密度、高带宽方面的优势，逐渐成为下一代高能物理前端数据传输的首选。本项目将着手模块设计与激光器驱动ASIC设计两方面，一方面研发解决模块高密度、高速电接口设计及光接口耦合装配、抗辐射验证等关键难点。另一方面着手抗辐射激光器驱动ASIC领域，设计一款4 ch x 14 Gbps/ch抗辐射激光器驱动芯片，其与模块结合将达成国内高能物理首个从芯片到模块全定制的56 Gbps抗辐射并行光模块，并完成测试。同时进一步对脉冲幅度调制(PAM4)技术进行前瞻性研究，设计高能物理领域第一款抗辐射20 Gbps PAM4激光器驱动芯片。

近年来大型高能物理实验、空间实验不断蓬勃发展，新型探测器、新型读出电子学手段不断涌现，读出电子学前端数据的带宽需求随之不断攀升。采用基于光纤的抗辐照定制化高速光通信系统是目前该领域的前沿解决方案，但是国际上该领域内的相关芯片、光模块和技术对中国严格禁运和封锁。本项目的主要研究内容包括：抗辐照定制化阵列式光模块的研发、um量级光部件耦合对齐方案研发、光耦合部件的抗辐照性能测试验证、抗辐照高速激光器驱动芯片设计、高速PAM4多幅度脉冲调制激光器驱动芯片设计、阵列式光模块眼图测试和BER误码率测试平台的搭建。.通过对本项目的研发执行，成功设计了高速高密度4 x 14Gbps/ch光模块基板，解决了阵列式光模块中um量级对齐的难题，全定制化设计了应用于大型高能物理实验的小尺寸、抗辐照并行式光模块的光电接口，并成功验证；基于SMIC 55nn CMOS工艺成功设计并测试验证了抗辐照4 x 14Gbps/ch 高速激光器驱动芯片，积累实践了高速激光器驱动芯片的带宽拓展技术；通过对定制化光模块和4 x 14 Gbps/ch激光器驱动芯片的集成，最终获得了完整的、可应用于大型高能物理实验前端电子学读出的4 x 14 Gbps/ch并行式光模块；同时基于SMIC 55nm CMOS工艺成功设计并测试验证了10 GBaud (20 Gbps) PAM4多幅度脉冲调制高速激光器驱动芯片，这也是国内高能物理实验中对高速PAM4驱动模拟芯片的首次尝试。完成了项目既定的研究目标。.项目执行期间，相应的科研工作内容作为毕业课题方向，直接培养了一名博士研究生和一名硕士研究生。项目所所取得的科研成果参加IEEE Real Time等国际会议三次，发表学术论文五篇于JINT和NIMA等领域内国际权威期刊，申请获批国家专利三项。相关论文和专利均以本人为通讯作者，所指导的研究生为第一作者和第一发明人，所有论文均以本项目为第一标注。.对于抗辐照阵列式光模块从芯片到模块的全定制化成功研发，对于有抗辐照、极小尺寸、超低功耗等特殊需求的高速数据传输应用场景，例如大型高能物理实验的前端读出电子学、航空航天和国防领域的系列设备，有着重要的技术突破标志和实际的应用价值。