超导纳米线单光子探测器(SNSPD)作为一种新型的光电探测器,现如今广泛应用于激光测距、量子计算、生物荧光成像、深空通信、空间探测等前沿领域。对于单个像元的SNSPD,它工作在很强的非线性模式下,若多个光子同时被吸收,探测器也只会产生一个脉冲响应,但在量子通信、生物荧光成像和非经典光源表征等诸多应用场景中,要求使用的探测器不仅需要对入射的光子做出响应,还需要对入射的光子数目、光子的空间位置进行分辨。因此,将多个SNSPD构造成阵列来实现具备光子数分辨和光子空间位置分辨功能的器件,具有广泛的应用前景。串并联和多像元面阵结构的SNSPD都可以具有光子数分辨的功能。串联结构的SNSPD,由多条纳米线串联构成,并且每条纳米线均和一个电阻并联,所有的像元共用同一个偏置电流,且采用一路读出,减少了同轴线数量,等效提升了制冷机的负载能力。但是串联结构的SNSPD,需要采用额外的高输入阻抗低温放大电路来提高输出的信噪比。对于面阵结构的SNSPD,由于各像元采用单独的偏置电流,不仅具备空间分辨的能力,还有效减小了各像元之间的互扰。各像元输出的电脉冲通过功率合成为一路输出后,也可根据输出脉冲的幅值实现光子数目的分辨。本文针对串联结构的SNSPD读出需求,测试分析了高输入阻抗放大集成电路在液氦温区的特性参数。通过调节工作点,在2 K的环境温度下,获得了20 d B的稳定增益,带宽范围为100 k Hz～1.5 GHz,且功耗仅为1 m W。设计了该低温放大集成电路与6像元串联SNSPD器件互连方案,解决了噪声和散热不均引起的SNSPD超导临界电流压缩问题,显著提升了输出信号的信噪比,实现了最多6个光子数的分辨功能。此外,针对面阵结构SNSPD在深空通信领域的应用,基于其光子数分辨功能,提出了一种光子增强的计数模式,并依据该工作模式进行了通信模拟实验研究。与传统的光通信不同,深空光通信,由于传输距离远,光衰减强,加之大气湍流等多种因素的影响,到达探测器的光信号通常为几个光子甚至为单个光子的水平。在这种情况下,采用光子增强计数模式可有效滤除背景噪声影响,提取出信号光子信息。实验中,考虑通信系统的不确定性,我们引入贝叶斯估计进行光子增强计数模式下阈值的选取。相比于非光子增强计数的SNSPD接收模式,该通信系统的误码率(BER)极限可至少降低两个量级,显现了SNSPD阵列结合光子增强计数模式的通信接收系统在深空光通信领域的应用潜力。