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。

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。

与特定波长处的高吸收率设计不同，3~5 μm宽波长范围内超导纳米线单光子探测器的光吸收设计需要更好地兼顾吸收率的峰值大小和带内平坦度。为此，一方面采用超窄NbN纳米线/SiO₂腔/分布式布拉格光栅（DBR）来构建基于非对称法布里-珀罗（F-P）腔结构的正面对光器件初始模型；另一方面将SiO₂腔、DBR的高折射率层和低折射率层这3个厚度作为优化对象，以3~5 μm波长范围内光吸收率的最小值作为优化目标，使用粒子群算法对初始模型进行优化。结果显示，相比于上下腔双谐振波长耦合的思路，基于非对称F-P腔结构并采用了高折射率差DBR的单层NbN纳米线探测器设计，在目标波长范围内光吸收率的最小值提高了40.2%，带内平坦度提高了59.2%。在此基础上的双层NbN纳米线探测器结构不仅可以进一步提高光吸收率的最小值，而且可以在不追求特定波长处高吸收率的情况下将吸收率的最大值提升至0.97以上，达到与双谐振波长耦合方法相当的水平。

对工作在1~2 K的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)用多级脉冲管预冷焦耳－汤普逊(JT)的复合制冷机制冷性能进行了系统的热力学优化研究。阐述了该复合制冷机的结构设计和工作机理；基于热力循环分析提出了焓流模型，同时建立了适用于3 K以下温区的实际流体质量流量模型，并将二者结合，分析复合制冷机的性能；探讨了理想情况下净制冷量随末级预冷温度和上游压力的变化特性，应用所提出的模型通过离散参数拟合方法对二者进行优化。发现对于He-4和He-3工质，多级脉冲管末级最优预冷温度分别为11 K和8 K；以He-4为工质，该复合制冷机能在2.2 K的温度下提供85 mW以上的制冷量；以He-3为工质，能在1.0 K提供18.5 mW的制冷量，该性能能够满足SNSPD的实际应用需求。

21世纪初, GOL’TSMAN等人开启了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)这一研究领域。历经整整20年的发展, SNSPD已经成为综合性能优异的单光子探测器, 被广泛用于量子与经典的弱光探测。本文从性能指标、器件物理、薄膜材料、器件结构、加工工艺、光学耦合、信号读出、制冷系统、应用演示等9个方面, 回顾了过去20年里SNSPD的重要研究进展; 在此基础上, 展望和评述了未来可能的研究与发展方向。

与成熟的近红外波段设计相比，3~5 μm波长范围内较低的光子能量对于超导纳米线单光子探测器（SNSPD）宽带光吸收特性设计提出了更高的要求。为此，提出了一种中红外波段SNSPD宽带光吸收特性设计方法。以加载SiO₂/Au反射腔的超窄纳米线结构SNSPD为例，在通过优化上下腔3层介质层厚度实现2个目标波长处阻抗匹配的基础上，引入介质层总厚度与谐振波长之比作为评价每个谐振波长处带宽特性的指标，更好地取得了阻抗匹配精度与带宽特性之间的平衡，从而达到了双宽带耦合谐振以拓展总体吸收带宽的目的。数值结果表明，所提SNSPD在2928~4856 nm波长范围内对电场分量平行于纳米线的入射光能够吸收至少50%。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种量子极限灵敏度的光探测器。它的基本原理是利用光子能量实现超导纳米线库珀对的拆对, 从而在超导纳米线局域发生超导-非超导相变。和传统半导体单光子探测器相比, 具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、死时间短、宽谱响应以及自由运行等优势。高性能SNSPD已经在量子信息、激光通信、激光雷达等领域得到了广泛应用。文中概述了过去几年间国内外在SNSPD研发、应用成果及产业化等方面的进展, 并对SNSPD未来的技术发展和应用进行了展望。