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大型强子对撞机LHC是由CERN领导建造的目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。它的4个对撞点上有ALTAS,CMS,LHCb和ALICE四个大型物理实验探测器,其中ATLAS和CMS探测器于2012年发现了“上帝粒子”希格斯玻色子而闻名。为了支持和扩展高能物理实验的研究范围,LHC将分三个阶段进行升级。升级后的LHC,称为高亮度LHC（HL-LHC）,将以14 TeV的质心能量运行,其亮度将提高5到10倍。HL-LHC亮度的升级对在其对撞点的探测器如ATLAS提出了新的要求,同时HL-LHC会产生更多的粒子碰撞、更海量的数据输出,对探测器上的光纤数据传输带宽提出了更高的要求。在高能物理实验中,供电系统,散热系统和探测器都安装在一个极紧密的空间,光纤通信还受到低温、高辐照以及供电功率的限制。探测器上的通信系统不能和商业系统一样随时检测更换,所以高能物理中的光纤通信系统必须具有极高可靠性和低功耗,并且适应探测器对撞点附近的低温和高辐照环境。实验证明在低温和高辐照的环境下,VCSEL激光器的前向电压会升高,在LHC高辐射剂量要求下前向电压升高会更为明显,最终导致探测器上光通信系统不能正常工作。因此,研究适合在低温和高辐照环境下工作的高速光收发芯片及小尺寸的光模块,是HL-LHC升级中的关键技术之一。本文首次在高能物理实验高速VCSEL驱动电路中引入了对辐照累积效应自适应的电荷泵,该电荷泵能依据VCSEL辐照累积效应损伤情况而自动提升驱动电压,解决了在低温和高辐照的特殊环境下VCSEL激光器不能使用的问题。我们设计出的四通道高速驱动芯片,cpVLAD,在驱动电路与电荷泵间建立反馈机制,实现了电荷泵输出自动跟踪VCSEL前向电压随辐照累积的变化。电荷泵噪声大是传统高速光驱动芯片不采用的直接原因,本设计利用差分结构输出级电路有效抑制了电荷泵噪声。cpVLAD芯片采用片上AC耦合消除了多电压导致的片内共模电压不一致,且AC耦合电路中能调整输出信号交叉点,优化了输出信号的固有时间抖动。本文设计的cpVLAD芯片能在1 MGy辐照剂量、-35℃～+65℃温度下实现4数据通道每个通道10 Gbps的高速传输。这个数据传输速度是目前高能物理实验中达到的最高单通道速度。自2000年以来,特别是最近10年,专用集成电路在高能物理实验中得到广泛的应用。但集成电封装成本一直是一个大难题。在物理科研前沿的实验中使用的芯片数量往往只有几十到几万。这和工业界的百万级量产或特殊领域有几乎无限资源的支撑相比,物理工作者必须自力更生,自己找到解决问题的方案。目前高能物理实验中采用的光发送芯片和接收芯片都是独立的,本文首次整合了不同功能的光发送芯片和光接收芯片,实现了可配置成两发或两收或一发一收的两通道单片收发专用集成电路DLAS10。此尝试扩大了使用面、提高了产能,在一定程度上提供了一个解决高能物理实验小批量光传输芯片成本高问题的方案,特别是封装成本。这些多功能的整合也带来了一些技术困难,本文从以下几个方面展开研究:首先采用有源负反馈结构的限幅放大器,解决了由于工艺角和辐照等引起的带宽增益不平衡问题:其次通过提高输出级的驱动能力,实现了配置成发送时的TOSA（封装好的激光器）驱动和接收时的PCB传输线的兼容;第三在DLAS10芯片中设计了 I2C、DAC等模块,实现了发送接收通道的灵活编程配置。基于DLAS10芯片,作者设计出适用于高能物理实验前端读出系统紧凑环境的小尺寸、多功能的多个光模块,MTRx+/MTx+/MRx+。在高能物理实验应用中一个实例（ATLAS液氩量能器）的水冷系统将光模块的高度限制在6 mm以下。工业标准的SFP+光模块高14mm。在可编程抗辐照收发芯片DLAS10的基础上,结合TOSA/ROSA,我们设计定制了用于连接TOSA/ROSA与商用LC接口的连接器,实现了多功能的收发光模块MTRx+、双通道发送光模块MTx+和双通道接收MRx+,光模块整体高度仅为5.9 mm,光模块MTRx+在输入灵敏度及功耗等方面也都处于领先地位。基于cpVLAD芯片,作者设计出目前为高能物理实验探测器研发的光模块中通道密度最高的光模块QTRx。光模块(QTRx的尺寸只有10 mm×20 mm×4 mm,采用MT光接口,提供4发送4接收的光纤通道。此项研究为解决高能物理实验探测器空间限制问题也提供了一个方案。目前上述的两款芯片及多款光模块均已完成设计和测试工作（除QTRx外）,所有指标均符合高能物理实验光纤数据链路的设计指标,可以用在高能物理实验中。