This paper presents the design and experimental verification of two drivers designed to be compliant with the high radiation dose levels present in the inner layers of the CERN’s Large Hadron Collider (LHC) experimental chambers. The drivers, designed to face up to 800 Mrad (SiO2) Total Ionizing Dose, are able to sustain up to 5 Gbps bit-rate links when integrated in a 65 nm CMOS technology. They are designed to drive two Silicon Photonics optical modulators, Mach Zehnder Modulator and Ring Resonator, which have shown high rad-tolerant levels. The high dose level hardness of the drivers has been achieved by adopting the following Radiation Hardening By Design (RHBD) techniques: enhancement of the MOSFETs model to take into account the effects of high radiation dose levels and of single event effects on the devices, avoidance of using P-MOSFETs, increase of the minimum MOSFET lengths for the switching devices, and the use of Enclosed Layout Transistors shape plus some layout precautions. Moreover, to increase the drivers speed, techniques like buffer chain and inductive peaking are used in the drivers’ design. The experimental results have verified the matching of the high-speed high-voltage constraint required by the application. The Total Ionization Dose tests have shown, at 800 Mrad (SiO2), a 30% and 25% amplitude reduction of the output signals eye diagrams of the Mach Zehnder Modulator driver and of the Ring Resonator driver, respectively. In the worst case, in which the drivers will be placed within 5 cm from the beamline of the CMS experiment of the upgraded LHC, the heavy ions tests have shown a BER of 5.19e-8.

中文翻译：

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5 Gbps、800 Mrad TID 和 SEU 容忍光调制器驱动器的设计、实现和实验验证

本文介绍了两个驱动器的设计和实验验证，这些驱动器旨在满足 CERN 大型强子对撞机 (LHC) 实验室内层中存在的高辐射剂量水平。这些驱动器设计用于面对高达 800 Mrad (SiO2) 总电离剂量，当集成在 65 nm CMOS 技术中时，能够维持高达 5 Gbps 的比特率链接。它们旨在驱动两个硅光子学光调制器，即马赫曾德调制器和环形谐振器，它们已显示出高耐辐射水平。通过采用以下辐射强化设计 (RHBD) 技术实现了驱动器的高剂量水平硬度：增强 MOSFET 模型以考虑高辐射剂量水平和单事件对器件的影响，避免使用 P-MOSFET，增加开关器件的最小 MOSFET 长度，使用封闭布局晶体管形状加上一些布局预防措施。此外，为了提高驱动器的速度，驱动器的设计中使用了缓冲链和电感峰值等技术。实验结果验证了应用所需的高速高压约束的匹配。总电离剂量测试表明，在 800 Mrad (SiO2) 下，马赫曾德调制器驱动器和环形谐振器驱动器的输出信号眼图分别降低了 30% 和 25%。在最坏的情况下，驱动器将放置在距离升级版 LHC CMS 实验光束线 5 厘米以内，重离子测试显示 BER 为 5.19e-8。并使用封闭式布局晶体管形状加上一些布局注意事项。此外，为了提高驱动器的速度，驱动器的设计中使用了缓冲链和电感峰值等技术。实验结果验证了应用所需的高速高压约束的匹配。总电离剂量测试表明，在 800 Mrad (SiO2) 下，马赫曾德调制器驱动器和环形谐振器驱动器的输出信号眼图分别降低了 30% 和 25%。在最坏的情况下，驱动器将放置在距离升级版 LHC CMS 实验光束线 5 厘米以内，重离子测试显示 BER 为 5.19e-8。并使用封闭式布局晶体管形状加上一些布局注意事项。此外，为了提高驱动器的速度，驱动器的设计中使用了缓冲链和电感峰值等技术。实验结果验证了应用所需的高速高压约束的匹配。总电离剂量测试表明，在 800 Mrad (SiO2) 下，马赫曾德调制器驱动器和环形谐振器驱动器的输出信号眼图分别降低了 30% 和 25%。在最坏的情况下，驱动器将放置在距离升级版 LHC CMS 实验光束线 5 厘米以内，重离子测试显示 BER 为 5.19e-8。驱动器的设计中使用了诸如缓冲链和电感峰值等技术。实验结果验证了应用所需的高速高压约束的匹配。总电离剂量测试表明，在 800 Mrad (SiO2) 下，马赫曾德调制器驱动器和环形谐振器驱动器的输出信号眼图分别降低了 30% 和 25%。在最坏的情况下，驱动器将放置在距离升级版 LHC CMS 实验光束线 5 厘米以内，重离子测试显示 BER 为 5.19e-8。驱动器的设计中使用了诸如缓冲链和电感峰值等技术。实验结果验证了应用所需的高速高压约束的匹配。总电离剂量测试表明，在 800 Mrad (SiO2) 下，马赫曾德调制器驱动器和环形谐振器驱动器的输出信号眼图分别降低了 30% 和 25%。在最坏的情况下，驱动器将放置在距离升级版 LHC CMS 实验光束线 5 厘米以内，重离子测试显示 BER 为 5.19e-8。马赫曾德调制器驱动器和环形谐振器驱动器的输出信号眼图幅度分别降低了 30% 和 25%。在最坏的情况下，驱动器将放置在距离升级版 LHC CMS 实验光束线 5 厘米以内，重离子测试显示 BER 为 5.19e-8。马赫曾德调制器驱动器和环形谐振器驱动器的输出信号眼图幅度分别降低了 30% 和 25%。在最坏的情况下，驱动器将放置在距离升级后的 LHC CMS 实验的光束线 5 厘米以内，重离子测试显示 BER 为 5.19e-8。