激光通信是近年深空探测领域的研究热点之一。深空激光通信采用脉冲位置调制（PPM）提升通信能量效率，并使用单光子探测器以高效地接收信号。其中，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）被广泛认可是最优选择之一。本文分析了SNSPD的死时间和抖动特性，以及高速脉冲信号的拖尾现象，对基于PPM-SNSPD调制探测方式的深空激光通信产生的影响，并计算了SNSPD在该体系下的光子计数特性。基于分析，提出一种偏移补偿保护时隙PPM符号同步算法。相较普通的保护时隙同步算法，所提算法能有效减少PPM-SNSPD体系下的同步误差，提升系统误码率。

为实现高速、高灵敏度、低成本的激光通信，优化改进一种新的InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）以更好地使其应用于单个单光子探测器（SPD）探测的近红外激光通信系统。与上一代相比，优化各层结构的同时，在其中加入了介质-金属反射层并改进了双Zn扩散工艺。在1.25 GHz高频正弦门控（SWG）工作模式、225 K温度和6 V偏置下，所制备的InGaAs/InP SPAD实现了光子探测效率（PDE）为30%、暗计数率（DCR）为3 kHz和后脉冲概率（P_ap）为2.4%的单光子性能。将基于高性能SPAD制备的自由运行负反馈雪崩二极管（NFAD）作为接收机，应用到已有实时激光通信系统中，实验得到了单个NFAD的激光通信性能参数。结果表明，在使用4进制脉冲相位调制（4PPM）方案中，在1 Mbit/s比特率条件下，单个InGaAs/InP NFAD具有1.1×10^-5误码率和-69.6 dBm灵敏度。

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。

单光子探测技术具有高灵敏度、低时间抖动、低功耗等独特优势，在激光测距和成像中的应用越来越广泛。基于此，提出一种低成本的高精度单光子测距技术。利用窄脉冲电路驱动激光二极管产生脉宽为160 ps的窄脉冲激光，利用多像素光子计数器研制时间抖动为417 ps的低时间抖动单光子探测器，降低系统的整体时间抖动，并搭建高精度单光子测距实验装置。测距实验结果表明，在2 m的测距量程内，单光子测距系统的距离测量精度可达370 μm@RMS。实验装置采用同轴光路设计，结构简单，易于集成，为实现小型化低功耗高精度单光子测距系统提供了一种可行性的解决方案。

自2001年被发明以来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）迅速成长为近红外波段的明星光子探测器，其在近红外波段如1550 nm处系统探测效率超过95%，暗计数率低于1 cps（counts per second），时间抖动优于10 ps，探测速率高于1 GHz，并广泛应用在量子信息领域。近年来，研究人员开始将SNSPD引入到生物领域，以替代在近红外波段具有低信噪比、多后脉冲的半导体单光子探测器。本文将介绍SNSPD的探测原理和性能指标，并系统地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。

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。

单光子雪崩二极管（SPAD）可以检测到异常微弱的光信号，可广泛应用于目标跟踪、自动驾驶、荧光检测等领域。本文基于180 nm标准双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体（BCD）工艺，设计了一种低过偏压下具有高光子检测概率（PDP）的SPAD器件。该器件在440~740 nm范围内具有良好的光谱响应。采用半径为10 μm的N⁺/P阱形成PN结作为感光区域，由N阱形成一个能有效防止边缘击穿的保护环。应用计算机技术辅助设计（TCAD）软件对SPAD的基本工作原理进行了定性分析，并通过建立的测试平台获得了设备的实际电气参数。测试结果表明，在1 V的过量偏置电压下，在480~660 nm的波长范围内，该器件可达到30%以上的PDP。在560 nm时，PDP峰值为42.7%，暗计数率为11.5 Hz/μm²。最后通过设计VerilogA混合模型验证了器件的模拟结果和实测结果之间具有良好一致性。

针对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换（TDC）单元和现场可编程门阵列（FPGA）单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55 ps,测量数据呈线性,100 ns以内时间精度低于36 ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100 ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数（TCSPC）模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。