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近年来,量子通信、量子计算和量子精密测量等量子信息技术引起了科学家们极大地关注,其中量子秘钥分发(Quantum Key Distribution)是当前量子信息领域中最接近实用的分支,是迄今为止最安全的通信方式。1550 nm通信波段的单光子探测器是光纤量子秘钥分发系统的核心器件之一,单光子探测器的性能将直接影响量子秘钥分发的传输距离和成码率。上转换单光子探测器则是目前综合性能最优的室温单光子探测器,其核心是利用周期极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate,PPLN)波导的非线性和频效应,将通信波段的光子高效率地转换到可见光波段,然后再利用高性能的硅雪崩光电二极管进行探测,其性能可满足长距离量子秘钥分发的要求。然而,目前绝大多数的周期极化铌酸锂波导器件都是基于同成分铌酸锂晶体(Congruent Lithium Niobate,CLN),它们在实际应用中通常受到短波长、低功率以及高温操作等限制。与之相比,5 mol.%氧化镁掺杂同成分铌酸锂晶体(5 mol.%Mg:LN)的性质和性能都更加优越,因此更适用于制作周期极化铌酸锂波导器件,但是5 mol.%Mg:LN晶体的周期极化难度较大,难以获得高质量、大尺寸的周期极化晶体,因此无法制作足够长度的波导芯片,最终导致上转换单光子探测器存在探测效率低以及噪声计数高等缺点。基于周期极化铌酸锂波导在量子保密通信领域的重要应用价值,以及制备过程中存在的问题,本论文主要开展了以下工作:一、研究了CLN和5 mol.%Mg:LN晶体在外加电场极化过程中的极化反转特性,分析了影响5 mol.%Mg:LN晶体周期极化质量的两个关键因素——“负反馈机制弱”和“易产生漏电流”;针对3英寸5 mol.%Mg:LN晶体周期极化过程中存在的问题,通过改进光刻胶的立体构型和极化电压的施加方式,抑制了反转畴的横向扩张;研究了漏电流的形成机理,提出了利用Si02介质层抑制漏电流的方法,并且系统地研究了 SiO2层厚度对周期极化质量的影响;通过利用合适厚度的Si02层抑制漏电流,同时结合使用多脉冲极化电压波形,成功实现了 3英寸、0.5 mm厚度的5 mol.%Mg:LN晶体的均匀周期极化。二、研究了PPMgLN晶体的反转畴结构:+七面反转畴占空比～50%,-z面反转畴占空比～30%,极化反转基本贯穿至晶片-z面,而且在晶片+z面以下～300 μm范围内,反转畴占空比均保持在45±5%,满足一阶准相位匹配的要求。研究了单通25 mm PPMgLN晶体的倍频性能:在1572 nm波长处获得了～2.3 5%/W的倍频转化效率,对应的有效非线性光学系数～14.2 pm/V,略低于其理论值,～17.2 pm/V,该差别主要源于PPMgLN晶体器件端面的菲涅尔反射损耗。三、研究了CLN和5 mol.%Mg:LN晶体中H+离子扩散模型的差异,分析了影响反质子交换PPMgLN波导制备和波导性能的主要因素;研究了模式过滤器宽度、波导宽度以及H+离子扩散深度对信号光和泵浦光透过率以及光斑模式的影响,确定了比较合理的波导设计和制成参数,并且基于制备的3英寸PPMgLN晶片,通过反质子交换法成功制备了长度52 mm的反质子交换PPMgLN波导芯片;研究了反质子交换PPMgLN波导的信号光和泵浦光透过率、QPM调谐曲线以及SFG转化效率:波导的信号光和泵浦光透过率分别是24.3%和27.1%,相位匹配波长是1301.61 nm,调谐曲线的主次比～2:1,SFG转化效率～10.96%;分析了反质子交换PPMgLN波导的SFG转化效率偏低的原因,并对后续波导的性能优化实验提出了改进方案。四、设计并制备了反质子交换型集成化双通道PPLN波导器件;测试了双通道PPLN波导器件中相邻两路波导通道的QPM调谐曲线和SFG转化效率:两路波导通道的相位匹配波长接近,能够同时满足相位匹配条件,即同时实现最高的信号光转化效率,但是两路波导通道的最大信号光转化效率之间存在微小的差异,该差异主要源于波导的制成误差;设计并搭建了偏振无关上转换单光子探测系统光路,通过选择合适的器件组合以及调节两路波导通道的入射泵浦光功率,补偿了两路波导通道最大信号光转化效率之间的差异,使得这两路波导通道所对应的上转换探测系统对H偏振态和V偏振态的探测效率相同,最终实现了一种全光纤偏振无关上转换单光子探测器;研究了全光纤偏振无关上转换单光子探测器的性能,基于此探测器实现了 1.55 μm通信波段的高效率偏探测,获得了～29.3%的整体探测效率,对应的暗计数～1600 cps,同时通过实验证明当入射信号光的偏振态发生变化时,此偏振无关上转换单光子探测器的探测效率保持稳定,偏振相关损耗～0.1 dB。