超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种极具潜力的低噪声红外光子探测器件。探测器的最基本单元是一根由超薄的氮化铌薄膜通过微加工手段制备而成的蜿蜒纳米线。探测器通过4.2 K的液氦或者更低温的GM制冷机制冷,并被加载一个恒定的偏置电流,当光子入射后,纳米线吸收光子产生阻态,从而触发电路产生电压响应。超导纳米线单光子探测器对许多前沿科学和工程领域具有重要意义,包括量子密钥分发,光量子计算机的开发,集成电路失效分析,环境远程监测和分子荧光检测等。SNSPD作为新型的单光子探测器件,能够同时具备探测效率高,响应频谱宽,暗计数率小,时间抖动低,重复速率快等优点。目前,SNSPD受探测机制影响,对红外波长的光子探测效率随波长增大而逐渐下降,研究人员尝试了多种方式提高SNSPD的探测效率,首先,基于热点模型或热点扩散模型,人们通过调整纳米线的尺寸,更换探测器的材料等手段来提高探测器本征探测效率。第二,聚焦透镜光纤,微纳位移控制台等手段的加入有效的改进了光耦合效率,另外,通过在纳米线上制备光学谐振腔,光学微纳天线,光波导等手段提高了纳米线对光子的吸收效率。基于以上改进,目前SNSPD在1550 nm波长获得了超过70%的探测效率,因此,探测器制备的下一个目标将是拓展SNSPD在红外(1550nm及以上)波长的表现。本论文围绕SNSPD在红外波段探测效率低的问题,从检测机制、材料特性、光学结构等多个方面入手,设计、研究了在2 μm波段具有较高系统探测效率和宽响应带宽的SNSPD,将SNSPD的工作频率扩展至2 μm以上。主要成果包括以下几个部分:第一,我们基于特殊掺杂铌(Nb*)薄膜,设计和制备了基于MgO衬底超导Nb*纳米线单光子探测器。通过在掺杂Nb(Nb*)薄膜上沉积一层超薄的AlN层,提高了 Nb*薄膜的超导电学特性。相比于传统的Nb,Nb*-SNSPD展现出更高的超导转变温度和临界电流密度。基于热点模型,我们研究了Nb*-SNSPD探测器的截止波长,响应带宽,温度和纳米线尺寸的关系。结果表明,随着Nb*纳米线宽度和Nb*薄膜厚度的减小,Nb*-SNSPD的截止波长和灵敏度都得到了提高。我们研制的50 nm宽、4.5 nm厚的Nb*-SNSPD,在2.3 K时,对1310 nm,1550 nm和2010 nm波段的光信号具有单光子的检测灵敏度。进一步的将探测器置于300 mK的He3制冷机中,其效率比2.3 K下提高了 10倍。第二,为实现SNSPD在2 μm以上波段具有高的系统检测效率,同时具有宽的响应波段,我们改进了传统基于硅基氧化硅衬底的NbN-SNSPD的光学谐振腔设计,优化了谐振腔的结构和谐振腔两层介质层的厚度。在2.3 K的温度下,NbN-SNSPD从1350 nm到2010 nm波段均获得了 10%以上的探测效率,在1550 nm和1650 nm均获得了超过20%的效率。另外,探测器还表现出超低的暗计数率。第三,引入表面等离子激元的概念,通过将金纳米颗粒转移到NbN-SNSPD表面,实现了等离子激元对NbN-SNSPD探测效率的增强。通过FDTD的仿真,我们初步了解了单层金纳米颗粒对光子的吸收增强效果。实验上,分别比较了有金颗粒沉积的SNSPD样品和无金颗粒的SNSPD样品,我们观察到金颗粒样品在700～830 nm探测效率的增大和异常的临界电流压缩规律,我们将这一现象归因于SNSPD上产生了较强的局域场强增强效应。