面向数据中心的光互联新范式：级联透反射超表面与智能拓扑重构

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：Resilient Wireless-Optical Interconnection Scheme for Data Centers: Cascaded Reflective and Transmissive Meta-Surfaces

本刊编辑推荐：为突破传统空间光调制器(SLM)和微机电系统(MEMS)在数据中心互连中的交换容量限制，研究人员提出了一种基于级联透射式超表面(TMS)和反射式超表面(RMS)的弹性无线光互联方案(TR-MS)。该方案通过TMS实现1-to-N光束分裂，结合RMS产生2×N输出光束，将插入损耗降至0.5dB，并通过改进的北方苍鹰优化算法增强长短期记忆网络(En-LSTM)实现91%的流量预测精度，为下一代数据中心提供了高容量、低损耗且智能可重构的互联新范式。

　　

随着大型语言模型等并行计算服务的爆发式增长，数据中心正面临前所未有的带宽压力。传统电交换单元受限于端口数量和设计复杂度，难以支撑机架间通信的带宽需求。无线光交换单元(WOSU)通过自由空间激光链路为突破这一瓶颈提供了可能，但主流技术如空间光调制器(SLM)和微机电系统(MEMS)存在光束偏转角度小(^o3)、多光束操作复杂且仅支持单播通信等固有缺陷。更关键的是，它们无法动态适应数据中心流量的自相似性和周期性特征，容易导致服务拒绝或资源冗余。

在此背景下，由东北大学侯伟刚、重庆邮电大学邱伟杰等团队联合提出的级联超表面方案，为数据中心互连带来了革命性突破。该研究首次将透射式超表面(TMS)与反射式超表面(RMS)进行级联(TR-MS)，通过光学相位协同控制实现了1-to-4光束分裂，并集成人工智能驱动的流量预测算法，构建出兼具高容量、低损耗和弹性可重构特性的新型数据中心架构。相关成果已发表于《IEEE Open Journal of the Communications Society》。

研究人员采用有限差分时域法(FDTD)设计了工作波长为1550nm的硅纳米鳍结构TMS芯片，通过轨道角动量(OAM)和自旋角动量(SAM)的独立调控实现多光束分离；结合广义斯涅耳定律推导出覆盖面积理论上限，并引入改进的En-LSTM预测模型实现微秒级拓扑重构。实验采用美国骨干网真实流量数据进行验证。

一、TMS芯片设计与1-to-4通信验证

通过联合几何相位与动态相位调控，研究人员设计了晶格常数950nm的八阶相位单元。当线性偏振光入射时，TMS可生成携带不同角动量态(|s,l?, s=±1, l=1,2)的四路光束，其电场强度分布显示光束偏转至预设坐标(如x=-15.98μm, y=16.13μm)，与理论值偏差可忽略。功率转换效率η>90%，插入损耗仅0.5dB，为级联RMS奠定基础。

二、弹性拓扑重构算法性能

基于42U标准机架(0.6m×0.6m)的测试表明，当RMS旋转角β=6.33°时，可实现最大拓扑规模T[4,3,8]（覆盖8排机架）。旋转延迟5.3ms优于MEMS。En-LSTM模型在938组流量数据测试中，平均绝对误差(MAE)降至0.012，误导性拓扑切换操作仅2次，准确率较传统LSTM提升34%。如图6(b)所示，当预测流量需求D_τ>0.95×B_m(T)时，系统可自动切换至T'=[4,3,8]拓扑。

该研究通过级联超表面架构将通信覆盖区域扩展至传统方案的2×N倍，同时实现0.5dB的超低插入损耗。智能重构算法使数据中心能根据大象流量的周期性特征动态调整拓扑结构，既避免95%阈值下的服务拥塞，又消除低负载时的资源浪费。尽管在纳米级元件集成和长期稳定性方面仍需优化，但TR-MS方案为下一代数据中心提供了兼具物理层创新与智能决策能力的互联范式，尤其适用于对带宽和延迟敏感的AI计算场景。