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现代社会人们对大数据量的互联网应用，例如语音、视频、游戏等的需求高速增长给光通信系统的频带利用率带来很大的压力。为了满足这一高速的增长，无论是长途大容量的光传输还是短距离接入光网络，大量的研究工作集中在提升系统频谱效率上。已有的研究成果中，光频分正交复用技术(OFDM)和奈奎斯特单载波技术(NWDM)是主要的两个被看好作为未来光传输系统主流技术的候选者。这两种技术都是在保证正交性(遵守奈奎斯特定律，使系统远离子载波间干扰和相邻信道间干扰)前提下达到频谱效率的最高应用。但是在这一前提的限制下，提升谱效率的唯一方法就是增加调制阶数，而高阶调制系统会对链路中的噪声及非线性效应非常敏感。因此通过放松对正交性的保持来获得更高的谱效率越来越受到学术界的关注。在无线通信系统中，有一种高频谱效率频分复用(SEFDM)技术可以进一步提升OFDM系统的谱效率。它通过放弃保证子载波之间的正交性，使得相邻子载波靠的更近，从而达到提升谱效率的作用。鉴于SEFDM技术在提升谱效率方面的优势，本论文将研究该技术在光纤通信领域的应用，并从直检系统和相干系统两个方向分别实现该技术在光通信系统中的传输与解调。本文有两个主要的研究方向：1)研究SEFDM算法的译码器，使其不仅能有非常良好的恢复数据的性能，同时复杂度相对较低。2）研究针对光SEFDM系统适用的信道相应、相位噪声等损伤参量的补偿算法。虽然SEFDM具有很好的提升谱效率的能力，但是非正交带来的强烈的子载波间干扰为解调算法带来巨大挑战。本文在结合前人对SEFDM信号检测算法研究的基础上，提出了联合迭代算法(ID)和固定球面算法(FSD)的混合解调算法。该方法可以在一个固定相对较低的算法复杂度情况下获得良好的BER性能；另外，SEFDM算法子载波非正交的特性也导致传统适用于光OFDM系统的信道响应、相位噪声等损伤参量的补偿算法不再适用。因此，根据SEFDM数据的特点，本文提出了基于时域上的信道估计和相位噪声估计算法。为验证所提出的译码器算法和信道、相噪补偿算法的性能，我们利用VPI和Matlab联调仿真软件搭建了光单边带直检SEFDM通信系统和相干光SEFDM通信系统仿真平台，以实现上述算法的仿真理论分析。同时，本文首次在实际的离线光直检带边带实验系统上验证了传输80km单模光纤的10G/b4QAM-SEFDM信号可以在微小的性能代价下提升光频谱的利用率。其中特别的是，在压缩20%的频谱带宽后，光4QAM-SEFDM系统与同等速率的4QAM-OFDM系统BER性能近似相同，且相比同速率的8QAM-OFDM系统OSNR性能高约1.6dB。这些结果说明SEFDM算法对光通信提升频谱效率有明显的作用，其可以作为未来需要高光谱效率的光多载波通信系统新的技术候选方案。