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单光子探测是一种极弱光探测技术，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文探测、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。但使得单光子探测成为近年来国内外研究热点的主要原因还是在于近红外单光子探测器在量子密钥分发系统中的应用。由于量子保密通信以单光子作为载体，单光子探测器是量子密钥分发系统中的关键器件，它决定了系统的安全传输距离、误码率等重要性能指标，因此本论文的目标之一是研制出高探测效率、低暗计数的1550nm波段单光子探测器。另外，量子保密通信系统中通常需要四路单光子探测同时工作，因此本论文还进行了基于FPGA的单光子探测系统研究，一方面完善了单光子探测器的功能、减小了系统功耗，另一方面利用FPGA同时输出多路不同参数的脉冲，结合国产的雪崩二极管(APD)，为多路单光子探测系统设计打下了基础。
本论文中的单光子探测器工作于盖革模式下，我们采用交流耦合的方式为其提供门控脉冲，并设计了一种延时鉴别和边缘锁存的新方法来提取雪崩信号，同时采用反馈门控减小了后脉冲影响。经过实验测试，探测器在时钟频率为10MHz，制冷温度-65℃，门控脉冲宽度为5ns时，最佳工作点的探测效率约为20％，暗计数率小于6*10-6/ns。在整个单光子探测系统研制中，还完成了半导体制冷和热管风冷混合的制冷温控系统，高精度、低纹波的数字调节高压源，门宽可调的门控脉冲发生模块和高精度、低噪声的参考电压源，并进行了友好的人机界面设计，能通过上位机显示和控制单光子探测器的偏置电压、鉴别电压、脉冲延时和制冷温度。
本文还进行了基于FPGA的单光子探测系统设计，实现了不同脉宽和相位的脉冲输出、输入雪崩信号计数和后脉冲计数。与已研制成功的近红外单光子探测器相比，该系统既完善了整体功能，减小了功耗，又省去了外部信号发生器和计数器，简化了系统操作性。另外，本文还对国产APD的特性进行了研究，由于国产APD无需外部制冷、易于集成，利用FPGA输出多路不同延时的脉冲，为后续小型化、低功耗的多通道单光子探测系统设计打下了基础。