(57)【要約】【課題】スピン波の伝送に非可逆性を与えるスピン波非可逆回路素子を提供する。【解決手段】スピン波非可逆回路素子１０は、線状の第１磁性体３１、線状の第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０を備える。円板状の磁性体４０は、第１磁性体３１および第２磁性体３２の間に配置されている。円板状の磁性体４０は、第１磁性体３１および第２磁性体３２に対して磁界結合する位置に配置される。円板状の磁性体４０の外周の長さは、伝送するスピン波の波長のｎ／２の長さ（ｎは正整数）である。【選択図】  図１
2016149504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状の第１磁性体、
線状の第２磁性体、
前記第１磁性体および前記第２磁性体に磁界結合する位置に配置され、伝送するスピン波の波長のｎ（ｎは正整数）／２の長さを有する外周を有する円板状の磁性体と、
を備えた、スピン波非可逆回路素子。
【請求項２】
前記第１磁性体、前記第２磁性体、および、前記円板状の磁性体が一平面上に配置された絶縁性基板を備える、
請求項１に記載のスピン波非可逆回路素子。
【請求項３】
前記第１磁性体、前記第２磁性体、および前記円板状の磁性体は、同一材質である、
請求項１または請求項２に記載のスピン波非可逆回路素子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のスピン波非可逆回路素子と、
前記第１磁性体に結合する第１トランスデューサ導体と、
前記第２磁性体に結合する第２トランスデューサ導体と、
を備える、高周波非可逆回路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン波の伝送に非可逆性を与えるスピン波非可逆回路素子、および、当該スピン波非可逆回路素子を用いた高周波非可逆回路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、コンピュータ等の演算装置では、クロックの高速化等から、電磁波の高周波信号が多く利用されている。しかしながら、高周波化に伴って、電力の漏洩や発熱が大きくなってしまう。
【０００３】
このため、電磁波の高周波信号の代替として、磁気の波であるスピン波を利用することが多く検討されている。例えば、特許文献１には、スピン波の導波管、およびスピン波を用いた演算回路が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１２０９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の一般的なスピン波の伝送線路は、双方向性を有するものである。したがって、スピン波を一方向のみに伝送することが難しかった。また、スピン波によるウィスパリングギャラリーモードの伝送特性が非可逆性を有することも知られていなかった。
【０００６】
本発明の目的は、スピン波の伝送に非可逆性を与えるスピン波非可逆回路素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のスピン波非可逆回路素子は、線状の第１磁性体、線状の第２磁性体、および、円板状の磁性体を備える。円板状の磁性体は、第１磁性体および第２磁性体に磁界結合する位置に配置され、伝送するスピン波の波長のｎ（ｎは正整数）／２の長さを有する外周を有する。
【０００８】
この構成では、円板状の磁性体に、ウィスパリングギャラリーモードからなるスピン波の伝送が生じる。この際、スピン波は円板状の磁性体の外周に沿って一方向にのみ伝送する。これにより、スピン波によるウィスパリングギャラリーモードの伝送特性に非可逆性を与えることができる。
【０００９】
また、この発明のスピン波非可逆回路素子は、第１磁性体、第２磁性体、および、円板状の磁性体が一平面上に配置された絶縁性基板を備えることが好ましい。
【００１０】
この構成では、第１磁性体、第２磁性体、および、円板状の磁性体の位置関係を安定化することができる。したがって、第１磁性体と円板状の磁性体との結合、第２磁性体と円板状の磁性体との結合を安定化させ、伝送特性を向上させることができる。
【００１１】
また、この発明のスピン波非可逆回路素子は、第１磁性体、第２磁性体、および円板状の磁性体は同一材質であることが好ましい。
【００１２】
この構成では、第１磁性体と円板状の磁性体との間での伝送損失、第２磁性体と円板状の磁性体との間での伝送損失を抑制できる。これにより、非可逆回路素子の伝送特性を向上させることができる。
【００１３】
また、この発明の高周波信号非可逆回路素子は、上述のいずれかに記載のスピン波非可逆回路素子と、第１磁性体に結合する第１トランスデューサ導体と、第２磁性体に結合する第２トランスデューサ導体と、を備える。
【００１４】
この構成では、上述のスピン波非可逆回路素子を用いて、電磁波からなる高周波信号の非可逆回路素子を構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、スピン波の伝送に非可逆性を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子の外観斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子の平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子の伝送特性を示す図である。
【図４】スピン波のリング共振器を用いた場合の伝送特性を示す図、および、スピン波のリング共振器の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る高周波非可逆回路素子の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子について、図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子の外観斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子の平面図である。
【００１８】
スピン波非可逆回路素子１０は、絶縁性基板２０、第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０を備える。絶縁性基板２０は、非磁性体である。第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０は、絶縁性基板２０の表面に配置されている。
【００１９】
第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０は、同一の材質からなる。具体的には、第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０は、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）を主成分とする材質からなる。また、第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０は、略同一の厚みである。例えば、第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０の厚みは、０．１μｍ〜１．０ｍｍ程度である。
【００２０】
第１磁性体３１および第２磁性体３２は、一定の幅、厚みを有する線状である。第１磁性体３１および第２磁性体３２は、離間して配置されている。
【００２１】
第１磁性体３１の延びる方向の一方端は、スピン波の入力端子Ｐ１である。第１磁性体３１の延びる方向の他方端には、吸収体３１Ｔが配置されている。吸収体３１Ｔは、第１磁性体３１と一体形成されている。吸収体３１Ｔは、表面を粗化する等によってΔＨを悪化させることで、スピン波の吸収体として機能する。
【００２２】
第２磁性体３２の延びる方向の一方端は、スピン波の出力端子Ｐ２である。第２磁性体３２の延びる方向の他方端には、吸収体３２Ｔが配置されている。吸収体３２Ｔは、第２磁性体３２と一体形成されている。吸収体３２Ｔは、表面を粗化する等によってΔＨを悪化させることで、スピン波の吸収体として機能する。
【００２３】
円板状の磁性体４０は、絶縁性基板２０を平面視して、第１磁性体３１と第２磁性体３２との間に配置されている。円板状の磁性体４０は、第１磁性体３１における吸収体３１Ｔが配置される側の端部と、第２磁性体３２における吸収体３２Ｔが配置される側の端部とに対して近接している。すなわち、円板状の磁性体４０は、第１磁性体３１と第２磁性体３２に対して磁界結合が可能な距離で配置されている。
【００２４】
なお、本実施形態では、円板状の磁性体４０と第１磁性体３１と第２磁性体３２は全て絶縁性基板２０の表面、すなわち、同一平面に配置されている。しかしながら、図２の最下段の図に示すように、円板状の磁性体４０と、第１磁性体３１、第２磁性体３２を異なる平面に形成して、スピン波非可逆回路素子１０’を構成してもよい。例えば、図２の最下段の図に示すように、円板状の磁性体４０を絶縁性基板２０の表面に形成し、第１磁性体３１および第２磁性体３２を絶縁性基板２０の内部に形成する。この際、図２の最下段の図に示すように、絶縁性基板２０を平面視して、円板状の磁性体４０と、第１磁性体３１および第２磁性体３２とが重なっていてもよい。
【００２５】
円板状の磁性体４０を平面した円形の外周の長さＬは、スピン波非可逆回路素子１０で伝送するスピン波の波長をλＳＰＷとして、次の関係を満たす。
【００２６】
Ｌ＝ｎ・λＳＰＷ／２
（ｎ：正の整数）
すなわち、円板状の磁性体４０の外周の長さＬは、スピン波の半波長の整数倍である。
【００２７】
このような構成のスピン波非可逆回路素子１０の入力端子Ｐ１から第１磁性体３１にスピン波を入力すると、スピン波は第１磁性体３１を伝送する。第１磁性体３１を伝送されたスピン波は、第１磁性体３１と円板状の磁性体４０との磁界結合によって、円板状の磁性体４０に印加される。
【００２８】
円板状の磁性体４０が上述の外周の長さＬを有することによって、円板状の磁性体４０には、スピン波のウィスパリングギャラリーモードが発生する。ウィスパリングギャラリーモードからなるスピン波は、円板状の磁性体４０の内側で且つ外周に沿って伝送する。この際、伝送方向は外周に沿った一方向となる。図２の場合であれば、伝送方向は時計回りとなる。
【００２９】
ウィスパリングギャラリーモードによって円板状の磁性体４０内を伝送されたスピン波は、円板状の磁性体４０と第２磁性体３２との磁界結合によって、第２磁性体３２に印加される。
【００３０】
第２磁性体３２に印加されたスピン波は、第２磁性体３２を伝送して、出力端子Ｐ２から出力される。
【００３１】
図３は、本発明の第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子の伝送特性を示す図である。図３において、横軸は周波数であり、縦軸はＳ２１、Ｓ１２の値を示す。実線はＳ２１特性を示し、破線はＳ１２特性を示す。Ｓ２１は、入力端子Ｐ１から出力端子Ｐ２に伝送される電力の通過特性であり、Ｓ２２は、出力端子Ｐ２から出力端子Ｐ２に伝送される電力の通過特性である。
【００３２】
図３に示すように、スピン波の周波数を含む所定幅の周波数範囲において、Ｓ２１とＳ１２は異なる特性を示し、Ｓ２１のみが高くなる。すなわち、入力端子Ｐ１から出力端子Ｐ２に伝送されるスピン波の伝送損失は小さく、出力端子Ｐ２から入力端子Ｐ１に伝送されるスピン波の伝送損失は大きくなる。
【００３３】
このように、本実施形態の構成を用いることによって、スピン波の伝送に対して非相反性（非可逆性）を与えることができる。また、図３に示すように、伝送するスピン波の周波数の周波数帯域でのみ非可逆性を有するので、選択的にスピン波の伝送に対する非可逆性を与えることができる。
【００３４】
参考に、図４（Ａ）はスピン波のリング共振器を用いた場合の伝送特性を示す図である。図４（Ｂ）はスピン波のリング共振器の構成を示す平面図である。図４（Ｂ）に示すように、スピン波のリング共振器１０Ｒは、第１磁性体３１、第２磁性体３２、環状の磁性体３３Ｒを備える。環状の磁性体３３Ｒは、第１磁性体３１における吸収体３１Ｔ側の端部、および第２磁性体３２における吸収体３２Ｔ側の端部に接続されている。
【００３５】
図４（Ａ）に示すように、リング共振器１０Ｒでは、Ｓ２１特性もＳ１２特性も同じ傾向を示し、相反性を有する。したがって、スピン波の伝送に対する非可逆性が無い。
【００３６】
以上のように、本実施形態の構成を用いることよって、従来容易では無かったスピン波に対する非可逆回路素子を実現することができる。さらに、本実施形態の構成を用いることによって、スピン波の非可逆回路素子を簡素な構成で実現することができる。
【００３７】
なお、上述の構成において、絶縁性基板２０は、省略することも可能であるが、用いることが好ましい。絶縁性基板２０を用いることによって、第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０の位置関係を固定することができる。したがって、第１磁性体３１と円板状の磁性体４０の磁界結合、第２磁性体３２と円板状の磁性体４０との結合を安定化させることができる。これにより、スピン波非可逆回路素子１０の伝送特性を安定化させることができる。
【００３８】
また、第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０の材質は異なっていてもよい。しかしながら、第１磁性体３１、第２磁性体３２、および、円板状の磁性体４０を同じ材質にすることによって、第１磁性体３１と円板状の磁性体４０との間の結合によるスピン波の伝送の際に発生する損失、第２磁性体３２と円板状の磁性体４０との間の結合によるスピン波の伝送の際に発生する損失を抑制することができる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施形態に係る高周波非可逆回路素子について、図を参照して説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係る高周波非可逆回路素子の構成を示す斜視図である。
【００４０】
本実施形態に係る高周波非可逆回路素子１００は、第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子１０を利用したものである。
【００４１】
第１磁性体３１、第２磁性体３２、および円板状の磁性体４０は、第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子１０を構成するものと同じである。第１磁性体３１、第２磁性体３２、および円板状の磁性体４０は、絶縁性基板２００における厚み方向の所定位置となる一平面上に配置されている。
【００４２】
平面視した第１磁性体３１、第２磁性体３２、および円板状の磁性体４０の位置関係は、第１の実施形態に係るスピン波非可逆回路素子１０と同じである。円板状の磁性体４０は、配置された平面において第１磁性体３１と第２磁性体３２との間に配置されている。円板状の磁性体４０は、第１磁性体３１の延びる方向における吸収体３１１Ｔ側の端部に近接している。また、円板状の磁性体４０は、第２磁性体３２の延びる方向における吸収体３２１Ｔ側の端部に近接している。
【００４３】
第１磁性体３１の延びる方向における吸収体３１１Ｔと反対側の端部には、吸収体３１２Ｔが配置されている。第２磁性体３２の延びる方向における吸収体３２１Ｔと反対側の端部には、吸収体３２２Ｔが配置されている。
【００４４】
絶縁性基板２００の裏面には、略全面にグランド導体２０１が形成されている。絶縁性基板２００の表面には、入力側の端子導体５１、入力側のトランスデューサ導体６１、出力側の端子導体５２、および、出力側のトランスデューサ導体６２が配置されている。
【００４５】
入力側のトランスデューサ導体６１は、第１磁性体３１の延びる方向と略直交する方向に延びている。トランスデューサ導体６１における延びる方向の一方端（第１磁性体３１を基準にして第２磁性体３２と反対側の端）は、入力側の端子導体５１に接続されている。トランスデューサ導体６１における延びる方向の他方端（第１磁性体３１を基準にして第２磁性体３２側の端）は、ビア導体７１を介してグランド導体２０１に接続されている。
【００４６】
出力側のトランスデューサ導体６２は、第２磁性体３２の延びる方向と略直交する方向に延びている。トランスデューサ導体６２における延びる方向の一方端（第２磁性体３２を基準にして第１磁性体３１と反対側の端）は、入力側の端子導体５２に接続されている。トランスデューサ導体６２における延びる方向の他方端（第２磁性体３２を基準にして第１磁性体３１側の端）は、ビア導体７２を介してグランド導体２０１に接続されている。
【００４７】
トランスデューサ導体６１とトランスデューサ導体６２との間には、結合防止用の線状導体８０が配置されている。また、トランスデューサ導体６２における円板状の磁性体４０側には、結合防止用の線状導体８０が配置されている。結合防止用の線状導体８０はグランド導体２０１に接続されている。
【００４８】
絶縁性基板２００の表面には、入力用の端子導体５１、出力用の端子導体５２、および、トランスデューサ導体６１，６２の形成領域を除き、略全面にグランド導体２０２が配置されている。この際、グランド導体２０２は、入力用の端子導体５１、出力用の端子導体５２、および、トランスデューサ導体６１，６２に対して、物理的に分離されており、これらの導体に対して所定の間隔（導体非形成部）を設けるように配置されている。
【００４９】
絶縁性基板２００の表面のグランド導体２０２と絶縁性基板２００の裏面のグランド導体２０１とは、複数のビア導体２１０を介して接続されている。なお、グランド導体２０２およびビア導体２１０は、省略することも可能である。
【００５０】
この構成により、第１磁性体３１に結合する入力側のマイクロストリップライン、および、第２磁性体３２に結合する出力側のマイクロストリップラインを構成することができる。
【００５１】
入力用の端子導体５１から入力された高周波信号は、トランスデューサ導体６１に伝送される。トランスデューサ導体６１に伝送された高周波信号によって、第１磁性体３１にスピン波が励起される。第１磁性体３１で励起したスピン波は、第１磁性体３１を伝送し、円板状の磁性体４０に印加される。円板状の磁性体４０では、上述のスピン波のウィスパリングギャラリーモードが発生し、スピン波を伝送する。円板状の磁性体４０を伝送したスピン波は、第２磁性体３２に伝送する。第２磁性体３２を伝送したスピン波によって、トランスデューサ導体６２に電磁波の高周波信号が励起される。励起された高周波信号は、トランスデューサ導体６２を伝送し、出力用の端子導体５２から出力される。
【００５２】
以上のように、本実施形態の構成を用いることにより、電磁波の高周波信号をスピン波に変換して非可逆性を持たせることできる。すなわち、電磁波の高周波信号に対する非可逆回路素子を実現することができる。
【００５３】
なお、上述の説明では、非可逆回路素子として２ポートのアイソレータを構成する例を示したが、同一平面上に３本の線状の磁性体と円板状の磁性体を配置し、円板状の磁性体を囲むように、３本の線状の磁性体を配置することによって、３ポートのサーキュレータを実現することができる。
【符号の説明】
【００５４】
Ｐ１：入力端子
Ｐ２：出力端子
１０，１０’：スピン波非可逆回路素子
２０：絶縁性基板
３１：第１磁性体
３１Ｔ：吸収体
３２：第２磁性体
３２Ｔ：吸収体
４０：円板状の磁性体
５１：入力側の端子導体
５２：出力側の端子導体
６１，６２：トランスデューサ導体
７１，７２：ビア導体
８０：線状導体
１００：高周波非可逆回路素子
２００：絶縁性基板
２０１，２０２：グランド導体
２１０：ビア導体
３１１Ｔ，３１２Ｔ，３２１Ｔ，３２２Ｔ：吸収体
１０Ｒ：リング共振器
３３Ｒ：磁性体
【図１】
2016149504.tif 000003
【図２】
2016149504.tif 000004
【図３】
2016149504.tif 000005
【図４】
2016149504.tif 000006
【図５】
2016149504.tif 000007