从光子耦合结构上分,SNSPD主要可分为两种,一种为传统的与光学腔集成的蜿蜒纳米线结构,另一种为波导集成纳米线结构。波导集成纳米线结构的SNSPD,尤其是能够实现光子数分辨功能的波导集成SNSPD,在线性量子光学和量子计算等领域具有重要意义。论文面向不同技术应用领域对光子数分辨功能的需求,依据两种不同光学结构的SNSPD,开展了光子数分辨功能的开发研究,主要工作成果如下:一、高质量的超导薄膜是制备器件的基础。在氧化镁、氟化镁、热氧化硅/硅衬底上开展了NbN薄膜的制备及工艺优化研究,运用现代科学分析技术,对NbN薄膜的微观结构和各项电学性能进行了分析表征;二、在热氧化硅/硅衬底上,设计和制备了单元纳米线尺寸为宽80 nm,间隙160 nm,并联Ti电阻的4像元串联的光学腔结构的SNSPD。实验结果表明,在1550 nm通信波段,2.3 K温度,暗计数为100 Hz时,系统探测效率达到60%,并且具有最高4个光子的分辨能力;三、本文设计、仿真优化了4像元串联结构的波导集成SNSPD,衬底采用氟化镁材料,波导层采用氧化硅或氮化硅材料。波导材料和衬底间较大的折射率差,可将光子更好地约束在波导结构中,减少光子透射进衬底的概率,从而提高纳米线对光子的吸收。在氧化硅作为波导材料时,波导结构设计为宽3μm,高500 nm,纳米线线长为60μm时,仿真的器件光子吸收率可达到98%。氮化硅作为波导材料时,其与氟化镁衬底间的折射率差更大,约束光子的能力更强。相同结构的纳米线,仿真吸收率可达到99%。根据仿真设计结果,在氟化镁衬底上制备了长60μm,线宽60 nm,间隙100 nm的4像元串联结构纳米线。测量结果显示,器件计数率饱和时的偏置电流对应的暗计数低至10 cps。时间抖动为58 ps,器件可实现最多4个光子的分辨能力。