近年来光量子信息通信技术迅速发展，为了读取光子信息就需要研发针对光通信波段的高性能单光子探测器。低温超导探测器凭借极低温下对热噪声的有效抑制，以及超导能隙远低于光子辐射能量而具有极高响应度的优势，逐渐在众多单光子探测器中脱颖而出。本论文以超导微波动态电感单光子探测器(Microwave Kinetic Inductance Detector，MKID)为研究对象，以优化MKID主要性能指标为研究目的，系统地阐述了MKID的发展历史及基本理论，详细分析了MKID的实现原理、性能指标及应用范围。本论文的主要研究成果包括：
　　1.采用Tc更低、均匀性更好的多层TiN/Ti/TiN薄膜结构制备MKID，基于IQMixer零拍测量方案，在光通信波段(1550 nm)成功实现了0-7个光子数的分辨，单光子能量分辨率ΔE低至≈0.22eV(当时报导的MKID应用于通信波段光子分辨实验的最佳水平)。在充分掌握超导基本理论和微波谐振器理论的基础上，深入研究了非理想馈线对超导谐振器传输特性的影响，推导了阻抗失配下的谐振参数的修正公式，结合仿真和实验结果说明了基于一种简单的几何方法可以得出接近真实值的内部品质因数，该工作为充分理解超导微波谐振器传输特性提供了一种直观的思路。
　　2.深入系统地研究了影响MKID光响应和能量分辨能力的因素。前期我们尽管实现了单光子探测，但探测器关键尺寸的设计未做任何优化，其本底噪声来源、准粒子的产生效率、限制能量分辨能力的因素都还不清楚。首先，我们从传输线的模场理论出发，理解了谐振器的频率响应与传输线电流密度分布的关系；实验上设计并制备了二分之一波长谐振器，研制了沿该传输线分布的LED阵列线路，通过测量在不同位置的LED光照下每个模式的频率响应，验证了传输线谐振器的光响应与局部电流密度的平方成正比。接着，我们针对集总型MKID，系统分析了其光子响应和能量分辨能力与谐振器几何结构、电流密度分布、光子入射位置、动态电感占比、准粒子扩散长度等因素的影响，明确了MKID本底噪声来源，限制能量分辨能力的关键因素，为进一步设计高性能的单光子探测器奠定了重要基础。
　　3.作为衡量探测器“感知”入射光子存在的能力的重要指标——探测效率，同样也是本文的主要工作之一。通过本文的研究，我们发现决定MKID探测效率的关键因素主要来自两个方面：探测器光敏区的光吸收效率以及光子与光敏区的耦合效率。针对光吸收效率，我们将首次研究针对1550nm光子吸收效率优化的MKID光学腔结构。首先，实验制备TiN或TiN/Ti/TiN超导薄膜，通过测量其光谱并反解薄膜传输方程，准确测得各层薄膜材料的光学常数，得到了光学腔结构的最优设计，理论上可实现接近1的光子吸收效率。并在理论和实验上验证了常温和极低温下光学常数不变的性质，从而保证了常温设计的光学腔结构仍然可以工作在极低温下。
　　4.针对光子与探测器耦合效率的提高，我们提出以光纤准直器聚焦结合三维可调的样品盒结构实现了光纤与极小面积光吸收区域的精准耦合技术，并在单光子探测实验中验证了该技术对MKID探测效率有明显提高，进一步明确了限制耦合效率的关键因素。针对单光子水平的MKID探测效率的标定，我们提出基于纠缠双光子符合技术的探测效率绝对标定方案，以雪崩单光子探测器为例实现了效率标定，并初步验证了利用该技术对光子数可分辨的MKID的探测效率进行标定的可行性。在研究波导集成的光子耦合技术过程中，提出一种可以严格解析多波导耦合模方程的简化理论，并模拟了基于三波导结构的量子几何位相，希望为光波导集成耦合器件的设计提供一点思路。
　　论文的最后，我们对博士期间所做的工作进行了总结，并对后续工作进行了展望。