近年来,云计算、物联网和大数据等关键技术的快速发展给作为核心基础设施的数据中心带来了极大的挑战。这些面向数据中心的应用,需要服务器之间高效的互连。这样的互连对数据中心网络链路和交换器提出了更高的带宽需求。同时,为了降低运营成本,数据中心服务器之间的互连必须满足低能耗的需求。因此,如何解决数据中心互连网络中更高带宽、更低能耗问题是当前通信领域的一个重要研究方向。为了提高网络带宽、降低能耗,本文将结合超表面技术展开数据中心自由空间高速光互连的研究,具体研究内容如下:（1）针对数据中心中传统的光交换器尺寸和设计复杂度大,单维度复用局限等问题,本文提出了一种基于超表面的轨道角动量（Orbital Angular Momentum,OAM）复用的自由空间光交换器。首先介绍了基于超表面实现轨道角动量复用的相关理论知识。然后在理论研究基础上,基于几何相位原理,提出了应用于数据中心短距高速光互连场景中,具有小型化、并行化优势的超表面自由空间光交换器。（2）为了提高网络带宽,降低网络能耗,本文提出了基于超表面的数据中心光网络架构。首先将自由空间光交换和多维复用进行结合,设计基于超表面的数据中心自由空间光互连系统架构。然后对超表面数据中心自由空间光互连系统开展容限分析,为精确调整参数提供重要参考。仿真结果表明,与传统架构对比,本文所提架构能够有效提升网络带宽,减少功率消耗。（3）为了充分发挥光交换的灵活可重构性,提高网络带宽资源利用率,本文提出了基于超表面的数据中心拓扑重构方法。首先通过流量预测对网络的运行情况进行预估,获取最新流量需求,根据重构阈值判断网络是否进行重构。然后将数据中心拓扑生成问题转化为整数线性规划（Integer Linear Programming,ILP）问题,通过遗传算法求解问题模型得到最优拓扑。仿真表明,本文所提方法能够有效提升网络吞吐量和网络资源利用率,充分提高自由空间光数据中心架构的性能表现。综上所述,本文所提出的基于超表面的数据中心自由空间高速光互连解决方案,对提升数据中心网络性能具有良好的学术意义及实际应用价值。