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近年来，随着网络用户的持续增加和新型网络业务的不断涌现，光网络面临巨大的数据交换挑战和灵活的带宽分配需求。传统的基于波分栅格的波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）网络，其固定的速率配置、低效的网络利用率已经越来越不能适应未来网络业务的发展，光网络正朝着灵活、高效、可配置的方向发展。在这种背景下，可变带宽光网络应运而生。可变带宽光网络克服了传统WDM网络中粗粒度和固定栅格的限制，它可以根据网络用户的需求进行动态的带宽分配，满足亚波长级到超级信道的业务需求。与基于子载波方式的可变带宽光网络不同，本论文在分析网格粒度对网络交换性能影响的基础上，提出了基于子波带交换的可变带宽光网络。子波带是网络中最小的交换粒度，对于低带宽的业务，分配单个的子波带;对于大带宽的数据业务，分配多个频谱连续的子波带形成超级信道，满足大容量的数据业务要求。本论文提出了子波带交换的可变带宽光网络总体结构，研究了实现可变带宽的物理层关键技术，包括可变带宽超级信道技术、可变带宽光交换与子波带上下路技术、超级信道变换与组播技术。主要工作如下: 1.可变带宽超级信道技术 针对正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)超级信道峰值平均功率比(PAPR，Peak to Average Power Ratio)较高的特点，提出基于单载波频分复用(SCFDM，Single Carrier Frequency Division Multiplexing)调制格式的超级信道。同时，利用光梳进行多载波的产生，实现了17.4 Tb/s SCFDM超级信道的产生。针对通道带宽可变的特点，提出基于光梳的可变带宽的发射机和接收机结构，通过调节子波带数和信号的调制阶数，实现了50 Gb/s到8 Tb/s可变速率的收发。 2.可变带宽光交换与子波带上下路技术 提出了基于子波带交换的节点结构，并实验实现了频率间隔为10 GHz的子波带交换。同时，为满足大容量的交换需求，对节点结构进行了扩展，扩展后的节点容量达到了0.278 Pb/s，为目前可变带宽光网络中最大节点交换容量。在子波带上下路方面，分析了超级信道上子波带上下路的原理，实验实现了单个子波带的上下路。 3.超级信道变换与组播技术 针对超级信道变换要求支持大带宽、全波段、格式透明以及偏振复用信号的特点，提出基于泵浦切换的四波混频超级信道变换技术，实现了240 Gb/s OFDM超级信道覆盖整个C波段的灵活变换。在组播上，提出基于多泵浦四波混频的超级信道组播技术，实现了400 Gb/s OFDM超级信道无误码从一通道到七通道的组播。同时，分析了组播过程中的非线性损伤，实现并比较了1.2 Tb/s OFDM和SCFDM超级信道的组播。针对超级信道上的子波带需要上下路、频谱碎片整理以及功率均衡的特点，提出了超级信道的子波带疏导节点结构，并在Tb/s OFDM超级信道上进行了实验验证。