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。

基于单光子雪崩二极管（SPAD）的激光雷达凭借其灵敏度高、探测距离远、集成度高等优点被广泛应用于三维感知领域。SPAD激光雷达系统中包含各种功能的子模块。研究这些子模块对激光雷达系统性能的影响有助于进一步优化系统方案，提高研发效率，降低研发成本。因此，从系统子模块的特性出发，利用时间相关单光子计数技术（TCSPC）和蒙特卡罗法建立了基于SPAD的激光雷达模型，得到了被动复位电路和主动复位电路、单事件首光子时间数字转换器（TDC）和多事件TDC对系统性能的影响。结果表明：在目标飞行时间为20 ns、环境光为50×10³ lx、目标反射率为10%的条件下，主动复位电路与被动复位电路的系统性能基本相当；当目标反射率增加到50%后，主动复位电路的系统性能优于被动复位电路；类似地，多事件TDC的系统性能优于单事件首光子TDC，主要表现在，与单事件首光子TDC相比，多事件TDC的噪声本底计数为均匀分布，其信号计数的峰值更易大于噪声本底计数的峰值，寻峰算法更简单，算力需求更少。仿真结果表明，为使系统性能最优化，SPAD集成芯片的后端子模块应采用主动复位电路和多事件TDC的组合架构。

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。

对于单光子测距雷达系统而言，发射激光脉冲瞬间和近场强后向散射带来的强背景光噪声信号均会导致光电倍增管产生强光感生噪声（SIN），严重影响后续目标的探测。为精确标定单光子量级的SIN，基于自主研制的单光子测距回波模拟器和固定脉宽为10 ns的脉冲激光器搭建了一套完备的SIN检测与评估平台。测量了不同能量的强背景光条件下的SIN，并使用相关经验公式对噪声进行了拟合。结合实际测距雷达系统，为满足百公里级测距目标反演的信噪比要求，应控制到达探测器处近场强背景光能量小于100 pJ。该研究为单光子测距激光雷达系统的性能评估提供了重要参考。

神经环路动态功能的解析是当前脑科学领域的重点和难点，微型化显微成像技术为其研究提供了重要手段。相较于双光子荧光成像和光纤光度法，微型化显微系统能够在模式动物自由活动状态下进行长时程、单细胞分辨率、实时成像。近十几年来，科学家们围绕可穿戴、高稳定性要求，先后研制了单光子、多光子成像系统，并从荧光探针、光电子元件、数据传输等方面进行不断优化，提升系统性能，扩展应用范围。将从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论，综述各方向研究进展，旨在为该领域技术提升和神经科学应用提供参考。

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。