单光子探测技术相比于传统光电探测技术有着更高的探测灵敏度,可极大地提升光信息的感知精度。本论文基于单光子探测技术实现对光的强度、相位、偏振等信息的感知,进而应用于光纤健康状态的检测、光纤干涉仪相位的反馈控制、光纤中光子偏振态的反馈控制,主要研究内容如下:（1）基于光子计数光时域反射仪（Photon Counting Optical Time-Domain Reflectometry,PC-OTDR）仿真平台,理论分析了激光器和探测器参数对PC-OTDR动态范围和空间分辨率等指标的影响。在理论仿真分析的基础上,基于850 nm波段单光子探测器、增益开关半导体脉冲激光器和时间数字转换器,搭建PC-OTDR实验测试系统,实现了动态范围为15.21 d B、空间分辨率为0.045 m的光纤光时域反射测量。对光时域反射仪的强反射现象进行初步测试,为后续开展强反射抑制的光时域反射测量提供参考。（2）在系统分析非平衡光纤干涉仪相位稳定性的基础上,提出了基于超导纳米线单光子探测的比例-积分-微分（Proportional-Integral-Derivative,PID）相位反馈控制方法,在窄线宽弱相干参考光的反馈下,实现了对臂长差约为1 m的非平衡光纤迈克尔逊干涉仪的相位稳定,稳定后干涉仪的相对相位差抖动小于0.042弧度。基于稳定后的干涉仪,测得单光子干涉的条纹可见度达到99.83±0.02%。（3）针对在单模光纤链路中光子传输后其偏振态会发生随机变化的问题,搭建了基于电动偏振控制、偏振分束和单光子探测的光子偏振态搜索反馈控制装置。在有无反馈控制的条件下,测试了实验室环境下20公里长光纤链路中光子偏振态的长时间演化特性,结果表明反馈控制方案可以实现上述光纤链路中光子偏振状态的反馈控制。