量子力学基本原理与现代信息技术的融合,诞生了量子信息科学这门新兴交叉学科。目前,量子信息科学已成为信息科学与技术前沿领域具有战略意义的研究方向。量子纠缠是量子信息科学中的重要资源。随着量子信息科学的快速发展,包括量子隐形传态、量子纠缠交换、量子密集编码、量子直接通信、量子照明雷达等在内的各种纠缠应用方案对光纤通信波段量子纠缠光子对的产生和性能提出了更高的要求。虽然已经发展出了很多方案来产生纠缠光子对,但高速率、低噪声的光纤通信波段关联/纠缠产生仍然是研究的关键。此外,为了配合不同应用方案,多自由度纠缠产生也尤为重要。本论文依托国家重点研发青年科学家项目“光通信波段多频道量子通道的实验研究”,基于周期极化铌酸锂（Periodically Poled Li Nb O3,PPLN）波导中的级联二阶非线性光学过程（即二次谐波产生和自发参量下转换过程）,开展了光纤通信波段量子纠缠产生与应用技术研究,先后实现了高质量关联光子对产生和多自由度纠缠光子对产生,并开展了纠缠光子在现有光纤系统中的密钥分发应用研究。设计并通过代工厂加工制作出带有噪声抑制滤波的PPLN波导模块。搭建了基于级联二次谐波产生和自发参量下转换过程的光纤通信波段关联/纠缠光子实验研究平台。实验研究了系统中产生光子的频谱、关联和噪声等特性,为高质量的关联/纠缠光子对的产生奠定了基础。当光子对产生率为52.36 k Hz时,符合计数与偶然符合计数比（Coincidence-to-Accidental Ratio,CAR）达到52600,达到国际领先水平。在高质量关联光子对产生的基础上,通过脉冲激光泵浦、光子对相干操控等方式,在多个光子自由度上实现量子纠缠制备,包括:能量-时间纠缠,频率片纠缠和时间片纠缠,并通过Franson干涉、CHSH不等式、量子态层析、空间量子拍等方法对纠缠进行表征。在高质量纠缠光子产生的基础上,实验研究了与经典光通信共存的量子纠缠分发及其量子密钥生成应用。通过运用密集波分复用和解复用技术,验证了量子纠缠密钥分发与经典光通信的共纤方案。实验测试了不同经典光通信速率下,量子纠缠密钥分发性能。在40公里光纤传输条件下,当经典光通信速率为20 Gbps时,量子安全密钥的产率达到203 kbps。