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未来5G移动网络需要支持超大规模无线接入、超高速数据传输和超高质量实时服务。兼具宽带与可灵活接入优点的光载无线（ROF）技术被誉为实现高性能5G蜂窝网络的关键辅助技术。该技术可通过载波复用的方式实现多个无线载波信号的同时传输,有助于降低系统成本、功耗以及复杂度,同时可加强各蜂窝单元间的协同工作。然而,目前大带宽、高线性度的模拟光收发芯片和模块的制备技术尚未成熟,良品率较低。此外,我国在该技术领域的研究相对落后,高性能的模拟光收发模块几乎依赖进口,这必然会限制未来我国ROF技术的推广与发展。因此,掌握高性能模拟光收发芯片与模块的制备与优化的核心技术,实现芯片和模块的国产化已刻不容缓。本论文详细地推导并分析了影响ROF系统的关键技术指标的主要因素,设计并制备了一款四通道直接调制模拟光收发一体化模块,验证并优化了基于该模块搭建的ROF系统传输性能。论文的具体内容如下:（1）建立直接调制ROF系统等效电路模型,推导了系统的S参数与增益的表达式,分析了模块封装过程中金丝、电极的寄生参数和光耦合效率对这两个参数的影响;分析了影响系统无杂散动态范围（SFDR）的两个关键因素,即噪声系数与非线性失真,并给出了各自的表达式。（2）设计并制备了一款小型化四通道直接调制模拟光收发一体化模块,各通道的3-dB带宽均大于19GHz,SFDR3大于90.5dB·Hz2/3,且通道之间的串扰小于-20dB。（3）提出了三种非线性补偿技术。基于推挽结构联合DSP数字后补偿算法的线性化技术,实现了IMD2、HD2、IMD3以及XMD3等主要非线性失真的同时抑制,系统的SFDR2和SFDR3分别提升了19.8dB和12.4dB;提出了一种基于Volterra模型的非线性均衡算法,实现了PAM8信号4×96Gb/s的高速传输;提出了一种低复杂度的k-means算法实现了对ASK、PSK以及QAM三种调制格式的自动识别,并且将ROF传输系统的抗非线性能力提升了3.2dB。（4）基于四通道直接调制光收发一体化模块搭建ROF系统,测试了四通道直接调制模块四个通道单独与同时传输性能;基于COST-207动态模型,考虑多径效应与多普勒效应,测试了列车在在不同的行驶速度下系统的传输性能;搭建4×4MIMO-ROF系统,提出了一种LR-ZF解调算法,实现了传输速率为6.624Gb/s的16QAM-OFDM信号经15.5km光纤与1.2m无线信道的无误码传输,其频谱效率为13.248bit/s/Hz。