InGaAs单光子探测器已被广泛应用于激光三维成像、长距离高速数字通信、自由空间光通信和量子通信等。针对单元、线列和小面阵器件，已发展出同轴封装、蝶形封装、插针网格阵列封装等多种封装形式。探讨了温度对InGaAs单光子器件性能的影响及组件温控方法；系统比较分析了针对光学元件如微透镜、透镜、光纤等与芯片的高精度耦合方法；针对高频信号输出，总结了引线类型、布线方式、封装结构设计等问题；展望了InGaAs单光子探测器的发展趋势。

Ge/Si雪崩光电二极管（APD）被广泛应用于近红外探测领域，但由于Ge和Si之间存在4.2%的晶格失配，故难以获得高性能的Ge/Si APD。提出在Ge/Si键合界面处引入多晶硅（poly-Si）键合中间层，弱化Ge/Si失配晶格对APD器件性能的影响。poly-Si引入后键合界面电场发生变化，导致APD内部的电场重新分布，极大地影响了器件性能。因此，重点对Ge吸收层和Si倍增层的掺杂浓度进行调控，探究了掺杂浓度对Ge/Si APD电场、复合率、载流子浓度、碰撞电离等性能的影响，最终设计出高性能键合Ge/Si APD。本工作将为低噪声、高增益Ge/Si APD的研究提供理论指导。

目前，在近红外波段中普遍采用InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD），但这类APD存在增益带宽积小和等效噪声高等问题，而InGaAs/Si APD采用电子、空穴离化系数极低的Si材料作为倍增层，在一定程度解决了上述问题，但其制造过程涉及Si电荷层的离子注入和高温退火激活，该过程工艺复杂、杂质分布不均匀、成本高。因此，本研究采用刻蚀技术在Si倍增层内制备凹槽环，并在凹槽环内填充不同介质对InGaAs层及Si层内的电场进行调控，构建无电荷层InGaAs/Si APD器件模型。结果表明，在凹槽环内填充空气或SiO₂可获得高性能的InGaAs/Si APD。该研究结果可为后续研制工艺简单、性能稳定、低噪声的InGaAs/Si APD提供理论指导。

光功率的测量是光学研究领域最重要、最常用的计量技术之一, 尤其在光通信、激光测绘等领域, 同时具有优于皮瓦量级灵敏度和大动态范围的光功率测量是用于系统测试和标定的极为关键的技术, 然而目前商售的光功率计测量灵敏度通常仅能达到纳瓦量级。本文发展了一种极限灵敏度可达稀疏光子水平的光功率测量装置, 测量系统采用硅雪崩光电二极管单光子探测器, 使用散射片和电控光阑精密控制待测信号光强度, 实现了在20fW～300W范围内的光功率测量, 功率测量的响应波长范围可以覆盖530～860nm, 测量误差小于3.7%, 重复性测量相对标准偏差小于1.9%, 能够满足微弱信号光功率测量需求。这种兼具高灵敏度和大动态范围的光功率测量方法有望解决强度微弱至稀疏光子水平的光信号计量难题。

激光雷达(LiDAR)广泛应用于航天器导航、安防监控、3-D测绘、自动驾驶汽车、**装备及机器人等领域, 具有重要的**和民用价值。雪崩光电二极管(APD)阵列探测技术在LiDAR的发展过程中发挥着至关重要的作用。介绍了LiDAR和APD阵列的应用背景, 综述了APD阵列和LiDAR系统的发展历程和最新进展, 最后总结了APD阵列探测技术的发展前景和研究趋势。

制备并分析了SiC nip雪崩光电二极管（APDs）雪崩倍增的物理机制。与280 nm紫外光相比，在240 nm紫外光入射时，SiC nip APD表现出更高的增益和更大的单光子探测效率。在240 nm紫外光入射时，SiC nip APD表现为空穴主导碰撞离化过程，随着入射光波长增加到280 nm，电子和空穴共同主导碰撞离化过程。由于SiC中空穴的碰撞离化系数大于电子，空穴主导的碰撞离化过程将具有更大的光子雪崩概率和更高的增益。因此，得益于空穴主导雪崩倍增过程，SiC nip APD更适用于短波长紫外光探测。

由于InGaAs与Si之间存在7.7%的晶格失配，因此难以获得制备方式简单、性能良好的InGaAs/Si雪崩光电二极管（APD）。从理论上提出了一种从源头弱化InGaAs/Si晶格失配对APD性能影响的办法，即在InGaAs/Si键合界面引入一层a?Ge或poly?Ge键合层，模拟比较了InGaAs/Si APD性能随键合层厚度的变化情况。研究指出，a?Ge和poly?Ge材料作为键合层对载流子有阻挡或俘获作用，因此器件能够获得超低暗电流，且由于键合层导带势垒对载流子的阻挡作用，APD雪崩之后出现了光暗电流间隙，可以在较小暗电流情况下获得大的光电流。当a?Ge厚度为0.5 nm时，APD雪崩击穿前增益可达最大值451.3，而当poly?Ge厚度为0.5 nm时，雪崩击穿前增益仅为7.9。这种差异是由于poly?Ge键合层处价带出现了势阱，载流子浓度下降。该工作为超低噪声和高增益InGaAs/Si APD的研制提供了理论指导。