(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111648515.9 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 杭州电子科技大 学 地址 310018 浙江省杭州市杭州经济技 术 开发区白杨街道 2号大街1 158号 (72)发明人 黄宇航　曾然　胡悦　沈飞翔　 李浩珍　杨淑娜　李齐良　 (74)专利代理 机构 浙江千克知识产权代理有限 公司 33246 代理人 冷红梅 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 17/12(2006.01) G02F 1/09(2006.01) (54)发明名称 基于磁光材料与覆盖石墨烯层的电介质复 合层状周期结构的光学拓扑转换方法及系统 (57)摘要 本发明涉及基于磁光材料与覆盖石墨烯层 的电介质复合层状周期结构的光学拓扑转换方 法及系统， 其方法包括(1)建立磁光材料与覆盖 石墨烯层的电介质复合层的复合层状周期结构 模型， 由磁光材料层和覆盖石墨烯层的电介质层 交替排列而成； (2)分析并计算复合层状周期结 构的介电张量； (3)计算并确定复合层状周期结 构中磁场和电场表达式以及对应边界条件； (4) 计算复合层状周期结构的传输矩阵； (5)由Bloch 定理导出无限周期结构的色散方程； (6)基于色 散方程， 调节外加磁场得到等频面的变化， 实现 光学拓扑转换。 本发明利用磁光材料层和覆盖石 墨烯层的电介质层交替排列构建了双曲材料， 更 容易实现光学拓扑转换， 得到新的拓扑结构特 性。 权利要求书5页 说明书14页 附图3页 CN 114297859 A 2022.04.08 CN 114297859 A 1.基于磁光材料与覆盖石墨烯层的电介质复合层状周期结构的光学拓扑转换方法， 其 特征在于， 包括以下步骤： (1)建立磁光材料与覆盖石墨烯层的电介质复合层的复合层状周期结构模型， 复合层 状周期结构模型由磁光材 料层和覆盖石墨烯层的电介质层交替 排列而成； (2)分析并计算复合层状周期结构的介电张量； (3)计算并确定复合层状周期结构中磁场和电场表达式以及对应边界条件； (4)计算复合层状周期结构的传输矩阵； (5)由Bloch定理导出 无限周期结构的色散方程； (6)基于色散方程， 调节外加磁场得到等频面的变化， 实现光学拓扑转换。 2.根据权利要求1所述的基于磁光材料与覆盖石墨烯层的电介质复合层状周期结构的 光学拓扑转换 方法， 其特 征在于， 所述 步骤(2)， 包括： 由于在电介质表面覆盖一层厚度极 薄的石墨烯层， 厚度可忽略不计； 磁光材料的介电张量 为： 其中， 介电常数为 εx＝ εMO， 层厚度为d2， εz为z方向分量， εy为y方向分量； 电介质层的材磁导 率为 μ1， 介电常数为 ε1， 层厚度为d1； 复合层状周期结构模型的单位晶胞厚度h＝d1+d2； z轴为材料层叠加的方向， 磁光材料光轴与z轴重合， 即外加磁场方向为z轴； 采用石墨 烯的电导 率σ 来表征表面电流。 3.根据权利要求2所述的基于磁光材料与覆盖石墨烯层的电介质复合层状周期结构的 光学拓扑转换 方法， 其特 征在于， 所述 步骤(3)， 包括： 由于磁光材料为电各向异性材料， 只在TM极化下存在双曲特性； TM极化时， 根据边界条 件考虑 的连续性； k1z为区域一中波矢在z方向分量， k2z为区 域二中波矢在z方向分量， kx为波矢在x方向分量。 和 分别为磁场在区域一左侧x负 方向和正方向分量， 和 分别为磁场在区域一右侧x负方向和正方向分量， 在其他区 域同理； H1y， H2y， H3y分别为区域一、 二、 三种磁场 y方向分量； E1x、 E2x为电场在区域一、 二中x 方向分量； 计算TM波， 其中， 时间分量e‑iωt为独立分量； 区域1为电解质， 区域2为磁光材料， 区域3 为电介质； 在区域1、 2中的磁场表达式： 由边界条件和电磁场关系得到切向电场表达式为：权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 114297859 A 2其中， 1‑和1+分别表示两种材料层交界面的左侧和右侧； 界面1为区域一磁光材料和区 域二覆盖石墨烯电介质层交界面； 界面2为区域二覆盖石墨烯电介质层和区域三磁光材料 层交界面； 界面3为区域 三磁光材 料和材料下一个周期的覆盖石墨烯电介质层分界面； 由电磁场边界条件可知， 在界面1处， 电场切向分量守恒， 但磁场由于表面电流Js的产 生， 其边界条件发生改变， 即 其中， 则界面1处有： H2y(x,0)＝H1y(x,0)+Jx(x,0) E2x(x,0)＝E1x(x,0) 又因为： Js＝σ E1(2)x(x,0) 计算得到： 整理得到： 令： 得到： 令 即 最后得到：权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 114297859 A 3