单光子探测技术是量子信息和量子通信研究中的重要一环,是实现对单量子态进行操控、处理和研究的技术前提。而超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种最新的单光子检测技术,它具有高效、快速、准确地探测单光子,同时暗计数低、响应频谱宽等特点,是当前单光子探测技术研究领域中的热门研究方向。经过近年来的发展,SNSPD表现出比其他现有单光子探测器更优异的性能。在探测效率方面使用NbN材料制备的探测器,其在1550 nm波段的系统探测效率已经达到70%以上,而此时的暗计数却只有100 Hz。同时NbN SNSPD的时间抖动也能够达到50 ps,重复速率理论上超过100 MHz。由于超导纳米线单光子探测器非常突出的性能,近几年来,它被广泛应用于量子保密通讯、集成电路检测、生物荧光检测、单光子源标定、分布式光纤传感还有深度成像等领域。本文以理论计算优化模型设计参数和实验研究并重,对超导纳米线单光子探测器进行了一番深入的研究。具体的研究成果主要包括以下几个方面：1.设计了利用光学薄膜谐振腔的、有效探测面积为30 μm×30μm的高效SNSPD,并对其结构进行了仿真优化。使用磁控溅射研究制备出大面积、均匀的超薄NbN薄膜(4-6 nm)。在电子束曝光中通过曝光图形的优化设计、控制加速电压等一系列手段对曝光过程中出现的邻近效应进行校正。系统分析研究了几种电子束抗蚀剂的分辨率、灵敏度等曝光性能,通过调节优化胶膜厚度、曝光剂量、显影条件以及RIE刻蚀工艺的优化,完成了对大面积纳米线条宽度、均匀性和边缘陡直度的精细控制。成功制备出均匀、陡直性非常好的大面积纳米线条并用它制备出了SNSPD.研制的大有效探测面积的SNSPD,对1550 nm光信号,当暗计数为100cps时,系统探测效率达到72.4%,最大系统探测效率是77.2%。对1650 nm光信号的最大探测效率达到81.2%。器件的性能指标达到国际主流水平。2.设计出了相位光栅与光学薄膜谐振腔组成的新型复合光学结构,并将其运用于SNSPD中。使用FDTD软件对这种复合光学结构进行了数值计算和优化。首先对波长为404 nm的入射光,设计了具有单一相位光栅结构的NbN SNSPD,当NbN纳米线线宽为200 nm时,NbN纳米线最高能获得95%的光子吸收率。考虑到制备工艺的可行性和器件应用的领域。我们将器件的工作波长定为850nm,为发挥宽波段的特性,我们有增加了谐振腔的设计。使用FDTD软件,通过对光学结构参数的调节,这种集成相位光栅和光学薄膜谐振腔的复合结构的NbN SNSPD,在相位光栅周期为1“m,单个周期内纳米线为4根宽80 nm的NbN线条,且占空比在1：1的情况下,NbN纳米线可以获得约72%的光子吸收率。并且在684 nm,732 nm,798 nm,924 nm,1256 nm和1426 nm波段上,NbN纳米线的吸收效率也均超过了40%,实现了在宽频段上具有高探测效率的SNSPD的设计。这种复合光学腔结构的SNSPD,由于一个周期内只有一半的面积上覆盖有NbN纳米线,纳米线的长度仅为传统谐振腔结构SNSPD的一半,器件的探测速率和响应时间将获得很大改善。由于有大面积SNSPD器件研制的基础,我们在设计时,充分评估了工艺制备的可行性,利用现有工艺完全可以实现这种复合光学腔结构的SNSPD的制备。为研制具有宽工作频段、高检测效率和高探测速率的超导单光子探测器奠定了基础。3.利用Nb5N6薄膜作为缓冲层,制备了具有高转变温度和临界电流密度的NbN SNSPD。对器件的性能表征显示,我们使用生长在30 nm厚Nb5N6薄膜上的5 nm厚NbN薄膜制备SNSPD。在工作温度为2.3 K时,它的超导临界电流达到38μA。当入射光波长为415 nm时,系统探测效率最高,为13.95%,此时的偏置电流为36.1μA,暗计数为21 cps。同时动态电感只有297.8 nH,远小于同类NbN SNSPD的500 nH。这意味着恢复时间大大缩短,本征探测速率得到较大提高。