相比于传统的半导体单光子探测器,超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single Photon Detector,以下简称SNSPD）由于具有探测效率高、暗计数低、恢复时间短等优点而得到了广泛的重视。作为系统探测效率的决定性因素之一,SNSPD光吸收效率的优化和设计一直是该领域的研究重点。尽管在近红外波段提高光吸收效率的SNSPD结构设计已经趋于成熟,但在天文观测和国防等领域具有重要应用价值的中、长红外波段,目前SNSPD的吸收效率,特别是宽带吸收效率,仍需要大幅提高。为此,本文对SNSPD的光吸收特性进行了建模,并通过不同方法优化探测器的结构,分别实现了近、中红外波段的宽带高吸收设计。具体的工作如下:1.基于传输线理论,通过遍历各介质层厚度,对不同结构SNSPD的光吸收特性进行了设计和优化。首先,通过匹配单一波长处器件表面输入阻抗与真空中的波阻抗,分别实现了 1100nm～1500nm的近红外波段范围内至少50%的吸收效率和2600nm～4400nm的中红外波段内至少60%的吸收效率。在此过程中发现可以利用原匹配波长附近出现的另一吸收峰,通过双谐振峰耦合进一步扩展SNSPD的光吸收带宽。并以此为基础,将两个波长作为阻抗匹配的目标波长,实现了具有良好耦合的双峰谐振特性,拓展了吸收带宽,实现了中红外波段的超宽带光吸收。但是,这种通过阻抗匹配的点匹配方法存在计算过程复杂,计算耗时较长等问题。2.为了提高设计效率,本文基于粒子群算法对SNSPD的光吸收特性进行了单目标优化,通过在解空间中搜寻各个介质层的最佳厚度来得到满足设计目标的器件结构。一方面,在近红外波段,分别以1400nm处的吸收效率和1100nm～1700nm波长范围内吸收效率大于80%的吸收带宽为目标函数,设计得到了单一目标波长处高效光吸收效率和1236nm～1700nm波长范围内光吸收效率大于设计要求的SNSPD结构。另一方面,在中红外波段,分别以4000nm处的吸收效率和整个中红外波长范围内吸收效率大于70%吸收带宽为目标函数,实现了单一目标波长处光吸收效率高达99%以及3628nm～4954nm波长范围内光吸收效率大于设计要求的SNSPD设计。3.实际的SNSPD设计往往需要同时优化多个性能指标,比如在中、长红外的设计时,由于诸如光学谐振腔等常用光学结构的尺寸都正比与波长,那么在考虑集成度及制造成本等要求时,就希望对器件厚度进行限制。为此,本文基于多目标粒子群算法研究了SNSPD的多个性能之间的联合优化问题,在寻求其解空间中的帕累托最优解集合的基础上,优化设计目标,最终得到了能够平衡不同设计目标的全局最优解。在近红外波段,分别以器件厚度和单频点处吸收效率、双频点处的吸收效率、器件厚度和特定近红外波段内吸收效率大于70%的带宽为优化目标,在提高集成度的同时,实现1400nm频点处的高效吸收和目标频段50%以上的超宽带吸收。在中红外波段,分别以器件厚度和单频点处的吸收效率、双频点处的吸收效率、器件厚度和中红外特定波段内吸收效率大于70%的带宽为优化目标,实现了 4000nm频点的高效吸收和中红外波段65%以上的超宽带吸收。