基于海森堡不确定性原理、测量塌缩原理和量子态不可克隆原理的量子密钥分配(Quantum Key Distribution, QKD)技术可以实现绝对安全的保密通信。目前的量子密钥分配系统大多是点对点系统,或者固定路由的多用户系统,难以满足大量量子用户间的动态通信需求。经典光网络在多粒度交换和弹性资源管理方面发展迅速,但由于量子信号的特殊性,经典光网络中的交换节点结构并不适用于量子通信。本文主要在QKD交换网络结构及QKD技术与灵活光网络融合等方面进行了研究。通过研究该领域国内外先进的科研成果以及相关理论知识的学习,取得了以下四方面的创新。提出了一种支持量子密钥的灵活多粒度光网络交换节点并设计了其路由原理。保证了量子信号和同步信号交换路径相同。本文充分考虑了量子信号的特点以及量子信号与经典信号共纤传输的工作方式,提出了支持量子密钥与经典信号同节点交换的多粒度交换节点模型,将量子交换节点分为光纤级、波带级和波长级三个粒度交换,从而降低了光交叉连接器的端口规模,增强了量子交换节点的交换能力。将WSS光器件引入量子交换节点,提高了交换节点的灵活性与智能性。为了保证同一用户的量子信号与同步信号保持步调一致,在波带级交换层引入了 WSS器件,极大地提高了节点结构的灵活性与智能性。对量子交换网络中的信道间串扰及网络损耗进行了仿真。本文以误码率和密钥生成率为研究对象,对信道间串扰和网络损耗进行了仿真。通过仿真分析得出使量子交换节点正常工作的节点损耗及系统隔离度的阈值。针对提出的量子交换节点结构进行了原型机实现并搭建了量子密钥分配实验系统。本文从硬件、信令和软件等方面进行设计,完成了多粒度量子交换节点原型机。此外,通过搭建量子密钥分配网络实验系统对节点的性能进行测试,验证了该节点结构的可行性与实用价值。