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目前,不断增长的通信带宽对骨干网传输容量提出越来越高的要求,高速光通信技术成为当前的研究热点之一。高速光通信系统结构复杂,涉及到多项关键技术,如高速时分复用系统需要高质量脉冲源,波分复用系统需要平坦的光频梳作为多载波光源,高精度光信号产生需要低抖动可调谐电时钟信号等等,每一项技术除了传输系统中的应用外,在其他方面都具有广泛的应用前景。本文以高速光传输系统为核心,从高速时分复用系统与Nyquist脉冲源,光频率梳产生,超低抖动及可调谐微波信号产生三方面展开研究工作。首先,在高速光传输系统方面,我们实现了640Gbit/s DQPSK-OTDM信号无误码传输410km,经过410km传输之后,与背靠背相比,其最坏情况下的功率损耗约为4.46dB。然后,我们进行了320Gbit/s Nyquist-OTDM信号相干接收实验,并且验证了在相同脉宽的前提下,采用Nyquist脉冲的匹配采样比高斯采样能够更加有效地抑制码间串扰(ISI)。最后,论文提出一种基于双平行调制器的Nyquist脉冲产生方案并进行了详细的理论分析,从理论上证明了该方案最多只能产生频谱具有5根谱线的Nyquist脉冲。在该实验中,我们首先产生了重复速率为40GHz的Nyquist脉冲,其测得的半高全宽(FWHM)低于4.65ps,信噪比(SNR)高于29dB,归一化均方根误差(NRMSE)低于2.4%,然后,通过调节射频驱动信号的频率,分别产生了重复速率为1GHz-40GHz的Nyquist脉冲,其测得的SNR均高于28.4dB,计算的NRMSE均低于6.15%。其次,在光频梳产生方面,论文提出一种基于受激布里渊散射的光频梳产生方案,并在实验中获得了了频率间隔为9.7GHz,10根谱线的功率之差小于1dB的平坦光频梳。同时,针对其频率间隔固定的缺点,我们对其进行了简单改进,成功获得了频率间隔为49.7GHz,具有6根谱线,平坦度低于0.9dB,边带抑制比(SCSR)为14.7dB的光频梳。最后,在超低抖动及可调谐微波方面,论文分别提出了采用平衡探测技术的双环光电振荡器及基于载波抑制单边带调制的布里渊振荡器方案。在前者实验中,我们获得了重复速率为40GHz,计算的抖动值为32.31fs的高质量微波信号,并将所产生的电时钟与光时钟用于脉冲压缩,获得了半高全宽为2.1ps的40GHz超短光脉冲；在后者实验中,我们利用工作频率低于10GHz的微波源,成功产生了频率调谐范围分别为10.9-20.9GHz的基频微波信号及21.8-41.8GHz的倍频微波信号。