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高性能的单光子探测器是量子光学和量子信息处理中的一个关键器件。基于超导纳米线的超导单光子探测器是多种单光子探测器中一个重要的类型,它具有效率高、暗计数低和时间抖动小等优点。为了进一步提高超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,以下简称 SNSPD)的系统效率,我们依据电磁场理论和等效电路原理,设计了多种高吸收率的SNSPD的耦合结构,这些结构可以调节SNSPD的极化特性以及多通带特性,并对部分结构进行了实验验证。主要结果如下:1由于超导纳米线的极化敏感特性,使其对垂直偏振光的吸收效率偏低,针对这一影响SNSPD系统探测效率的问题,本工作提出了一种利用高介电常数材料覆盖在纳米线上方,以提高纳米线对垂直偏振光的吸收率的方法,并据此设计了一种高效、偏振非敏感的SNSPD。数值仿真结果显示:在λ=1550 nm处器件的吸收效率最大约96%,同时在300nm的带宽范围内两种偏振光入射吸收效率差值小于0.5%。由于器件结构比较复杂,本文还对器件结构进行了简化并进行了实验验证,实验结果与设计结果差别较小。2在光学偏振成像的应用中,光探测器的探测效率和偏振消光比(Polarization Extinction Ratio,简称PER)是两种最重要的参数。本文设计了一种高效、高偏振敏感的SNSPD,仿真结果显示:NbN纳米线的吸收效率约95%@1550nm同时PER约1.5×104@1550nm。本文设计的结构在目前的报道中光垂直入射的情况下PER值最高。论文中通过电场分析解释吸收效率高PER的原因,并建立理论模型对PER曲线的Lorentz-like线型进行了理论分析。计算了器件各个参数的容错性,并把设计结构与在测量端加偏振片的方法进行了比较,发现此设计能让吸收效率和PER同时达到最优值。3基于正面入射没有透射带宽的限制,本文给出了一种设计高效、双带宽SNSPD的分析方法,并以λ=1310nm和λ=1550nm为例,分别对Au反射镜和布拉格反射镜进行了器件设计。仿真结果显示:NbN纳米线在这两个波段均出现了吸收峰并且吸收峰值都>96%。然后讨论了分析模型中阻抗jx和纳米线占空比对吸收峰半高宽的影响,为设计多通带SNSPD提供了参考。4测量了超导纳米线作为负载时的反正相位和阻抗,分析了测量系统产生长波长谐振的原因。然后将纳米线作为传输线测量并比较了纳米线处于超导态和非超导态传输特性和反射特性的差异,但是测量结果目前无法给出一个合理的物理模型进行解释,因此需要进一步实验验证。