对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真，得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响，研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现，当深扩散深度为2.3 μm固定值时，浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深，相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大，电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6 μm时，会发生倍增区外的非理想击穿，导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大，倍增区中心部分雪崩击穿概率越大，而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下，浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响，但深扩散Zn掺杂浓度越高，相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。

为了降低卫星激光测距中存在的漂移误差，基于卫星激光测距所获得的实测数据推算了卫星回波光子数，结合仿真分析了漂移误差产生的原因与计算方法，将计算得到的漂移误差补偿到测距结果中。选择特定目标持续五年的卫星激光测距数据，用所提方法对测量距离进行修正，修正值为10 ps量级~100 ps量级，最高可在测距数据中补偿掉770 ps的漂移误差。结果表明，使用该方法可以有效降低每圈数据的数据波动，减小了数据中由于能量变化导致的漂移误差，提高了数据质量。

研究了钛膜的特性及调控机制，通过烘烤后处理工艺分析了临界温度随烘烤时间和烘烤温度的变化关系，发现临界温度随烘烤时间对数降低，但是随烘烤温度指数降低。拓展了二流体模型提取了超导相变边缘单光子探测器的温度灵敏度系数和电流灵敏度系数，并结合脉冲响应得到了器件的热容，进一步理论计算了能量分辨率对器件临界温度的依存性。最终，在器件制备过程中集成光学腔体，在1 550 nm波长的光子吸收效率接近100%。研制的超导相变边缘单光子探测器系统探测效率超过90%，能量分辨率约为0.5 eV，可分辨至少10个1 550 nm光子，满足快速时变天体的观测需求。

近年来，单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管（Negative Feedback Avalanche Diode, NFAD）的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合，针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题，创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路，并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽，同时提高了淬灭性能和稳定性。此外，为了降低暗噪声计数率，针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计，对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明：无前置放大器设计的探测器性能稳定，对1550 nm波长光子的最高探测效率可达33%，在−50 ℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns，此时暗计数率890 Hz，后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好，环境20 ℃风冷下的最低制冷温度可稳定在−58 ℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器尤其适用于对性能和环境空间要求更严苛的应用场合。

随着探测体系的发展，基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注，有效降低了系统对激光功率的需求，广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求，基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统，对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析，配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点，并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法，将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比，单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1 550 nm，探测器线阵规模可达到128元，激光重频为20 kHz，可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像，作用距离＞3 km。经过成像算法处理，该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像，成像目标清晰。

基于光时域反射技术（Optical Time Domain Reflectometry， OTDR）的光纤分布式传感器可以实现对整个传感光纤空间可分辨的分布式测量，相比点式传感器具有极大的技术及应用成本优势。而传统的基于模拟探测的OTDR光纤分布式传感器在空间分辨率及动态范围上存在性能瓶颈。基于单光子探测的光子计数OTDR光纤分布式传感系统通过数字化的探测和记录方式，可以突破传统OTDR系统的性能极限。本文对光子计数OTDR系统技术及发展进行了综述，旨在通过本文的综述，明确基于单光子探测的光子计数OTDR系统的优势及限制，以及该技术的未来发展趋势，促进基于OTDR技术的光纤分布式传感器的进一步发展。

为了提高多像素光子计数器（MPPC）的高速探测并改善光子数分辨特性，采用门控抑制的MPPC，并通过自平衡及低通滤波相结合的技术手段，将MPPC的容性尖峰噪声抑制到热噪声水平，在实现光生雪崩信号的线性提取的同时快速恢复探测。实验结果表明，200 MHz门控的MPPC实现了40 MHz重复频率激光下14个光子的有效分辨，平均每脉冲光子数高达6.8。与被动抑制模式相比，200 MHz正弦门控模式下的光子数分辨效果明显得到了改善，为高速光子数可分辨探测提供了参考。