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本文综合了光纤无线和相干光通信系统的若干关键技术的研究成果,在理论和实验上系统地进行了高性价比的光毫米波产生技术及波长重用的光纤无线通信系统的研究,电光正交频分复用(OFDM)技术及其光网络的研究,全光波长变换在光纤无线通信系统和光标记交换网络中的应用研究,基于相干检测的全光OFDM和奈奎斯特波分复用技术及比较研究以及100G,400G和1T光传输网络系统的研究。第一,首次提出并实验研究了一种基于光四倍频副载波调制的毫米波产生方案及相应的波长重用的光纤无线通信系统(ROF)系统,并对基于三种不同的毫米波产生方案的ROF系统性能在理论和实验上进行了比较。在前两种方案的毫米波产生技术中,采用重复频率为20GHz的射频信号和电信号带宽为20GHz的马赫曾德尔强度调制器产生重复频率为40GHz的光毫米波。本文提出的基于光四倍频副载波调制的毫米波产生方案在产生相同频率(40GHz)光毫米波的前提下,进一步降低射频信号的频率要求和外部强度调制器的带宽要求,降低了系统成本。第二,首次将OFDM技术融入60GHz光纤无线通信系统和无源光网络系统,利用OFDM技术较高频谱利用率,以及在光通信里可以在一定程度上抵抗色散和偏振模色散的特性,提高了OFDM毫米波在光纤和无线中的传输性能。首次提出并实验研究了一种采用光相位调制器产生低峰均比的光OFDM信号通信方案,实验验证了采用光相位调制器产生光OFDM信号能够有效的解决高峰值平均功率比问题,从而提高信号在在光纤中传输对非线性效应的容忍度。第三,首次提出并实验研究了基于半导体光放大器(SOA)的四波混频效应的单泵浦(pump)光OFDM的波长变换系统。实验结果显示,耦合信号经SOA四波混频效应后,产生新波长的信号光将携带OFDM信号,且转换效率与信号光和泵浦光的功率,波长关系以及两者的偏振夹角有关系。第四,随着单载波100G通信系统的日趋全面商用化和随着信息数据业务的急剧增加,单载波400G或1T是未来骨干网的发展目标。本文首次将全光OFDM技术引入400G技术,提出并实验研究了基于相干检测全光OFDM的432Gbit/s传输系统。采用外部调制技术的光载波抑制调制格式产生频率间隔为54GHz的两个连续光载波,每路光载波通过I/Q调制器调制偏振复用的54GBaud/s或108Gbit/s的QPSK信号,经400km标准单模光纤传输后,所测最小误码率小于2×10-5；同时将400G全光OFDM技术融入到接入网,提出并实验研究了低功率代价(<1.5dB)和超高速系统速率(448Gbit/s)的400G光标记交换网络关键技术。第五,首次提出并实验研究了两种超级信道多载波产生方案及相应的全光OFDM相干检测传输系统：第一种超级信道基于频移光纤环路(RFS)和两个级联的相位调制器,由一路光载波产生112路光载波的超宽带相干光传输方案,由于相位调制器不需要直流偏置,产生的112路光载波稳定性可靠,每路光载波用于调制25Gbaud或100Gbit/s的双偏振态QPSK信号,此超宽带传输系统的速率为11.2Tb/s或除去前向纠错(FEC)开销后10Tb/s。第二种超级信道采用级联两个相位调制器和一个强度调制器调制1路单载波信号产生21个频率间隔为25GHz的连续光载波信号,每路光载波调制25Gbaud或100Gbit/s的全光OFDM信号,此超级信道总比特率为2.1Tbit/s或除去FEC开销后为1.96Tbit/s。第六,首次将奈奎斯特波分复用技术(Nyquist-WDM)和全光OFDM技术引入引入波分复用型无源光网络系统(WDM-PON),充分利用了两种技术的超高频谱利用率,实验比较了两种技术应用于接入网中的优势和劣势。在全光Nyquist WDM-PON的上行链路中,波长间隔为25GHz,波长集中的13个相干光载波由一个相位调制器和一个强度调制器调制连续单载波产生,每个光载波承载25Gbaud或100Gbit/s的极化复用QPSK信号,并经过80km标准单模光纤传输后,在接收端实现相干检测。同时,本文也对基于全光OFDM技术的WDM-PON系统进行了实验性的比较和研究。