近年来,随着移动通信、数据中心、物联网和工业互联网等信息物理系统(CPS)建设高潮的到来,对可集数据采集、融合、交换与处理为一体的高速大容量光接入网的需求激增。由于接入根节点产生的海量数据时空分布的多源化、离散化和异构性,传统光接入网已难以满足需求。本文以上述应用需求为牵引,通过软件定义和光电混合交换技术,研究新型光接入网架构、节点与交换技术,贯通物理层与媒质接入控制(MAC)层,满足海量数据接入与处理的需求。首先,论文提出了软件定义分层光接入网(SD-HOAN)方案,对核心与接入两类网络域实现统一控制,上、下行和控制信道分别采用不同的波段,对簇、集、域及核心四层信号实现分层分布式光电混合交换,使得物理层与媒质接入控制层无缝贯通,从而实现海量多源异构数据的汇聚融合、分层交换和统一控制。研制了网络仿真器,基于SDHOAN架构提出了周期信令传输机制与时隙密排调度算法,仿真验证了SD-HOAN具有高吞吐量、低时延等性能。接着,论文分别提出了单/双纤双向两种无源光分配节点(PODN)和输出端口带宽可重构光电混合核心交换节点(HOECSN)结构。通过PODN,搭建了HOECSN与边缘接入节点(EAN)间和EAN之间的传输通路。研究了PODN、HOECSN与MAC融合技术,实现了集内、域内和核心层海量异构数据交换,基于流量统计信息动态配置了输出端口带宽,提高了输出带宽利用率,降低了节点功耗。然后,论文研究了SD-HOAN技术在两种具体场景中的应用。设计了大规模数据中心SD-HOAN系统方案,PODN与簇间交换节点分别构成无源光接入与电接入层,实现了双MAC分层交换,基于负载感知双模态(LSDM)调度算法实现了簇内高效通信,具有高扩展与低功耗特性。设计了智能变电站SD-HOAN系统方案,研制出边缘、核心节点原型样机,搭建了智能变电站面向SV业务的SD-HOAN现场实验系统,实验测得系统具有低时延、单向组播、协议转换与光域信号汇聚等功能。最后,论文给出全文总结以及有待开展的工作。