РЕКОНФИГУРИРУЕМЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР ВВОДА-ВЫВОДА НА ОСНОВЕ КОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА
RECONFIGURABLE INPUT/OUTPUT MULTIPLEXER BASED ON RING RESONATOR

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может использоваться как перенастраиваемый мультиплексор ввода вывода.
Известен магнитооптический мультиплексор (WO 2008067597 (A1), St Synergy Limited, 06.12.2008). Устройство включает в себя первый волновод, поддерживающий распространение сигнала излучения от первого порта ко второму порту; второй волновод, включающий в себя второй порт; и кольцевой генератор, имеющий замкнутый путь распространения, включающий магнитооптические материалы, причем указанный кольцевой генератор функционально связан с указанными волноводами и реагирует на управляющее воздействие для переключения между первой модой и второй модой. Недостатками устройства является невозможность частотной перестройки.
Известно устройство, выполняющее функции мультиплексора, содержащее волноводный оптический кольцевой резонатор, окруженный верхней и нижней шинами (US 6947632 (В2), FISCHER SYLVAIN G, 20.09.2005). Первая резонансная и интенсивная оптическая волна подается в верхнюю шину, а вторая резонансная оптическая волна - в нижнюю шину. Эти резонансные волны распространяются от одной шины к другой через резонатор в противоположных направлениях. Недостатком устройства является наличие нескольких частотных пиков в спектре прохождения ввиду наличия высокодобротной оптической системы.
Известен оптический мультиплексор ввода-вывода, сформированный из кольцевых резонаторов (US 6928209 (В2), INTEL CORP., 09.08.2005). Вместо кольцевого резонатора можно использовать конфигурации интерферометра Маха-Цендера. Недостаток устройства состоит в том, что для настройки параметров используются нагреватели, установленные в ветвях тракта, что является достаточно инерционным процессом, при этом отсутствует возможность перестройки характеристик путем изменения величины и направления внешнего магнитного поля.
Наиболее близким к патентуемому является устройство на магнитостатических спиновых волнах (МСВ) (RU 2617143 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 21.04.2017 - прототип), которое может быть использовано в качестве мультиплексора за счет пространственно-частотной фильтрации и разделения СВЧ сигнала между областями микрополосковых преобразователей. Устройство содержит два параллельных линейных канала распространения МСВ, имеющих две пары микрополосковых преобразователей. Между каналами размещен резонатор МСВ, взаимодействующий с линейными каналами. Структура образована на пленке железо-иттриевого граната (ЖИГ), выращенной на диэлектрической подложке из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ). Недостатками устройства является невозможность управления пространственно-частотными режимами распространения СВЧ-сигнала в режиме работы в качестве мультиплексора.
Проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в построении реконфигурируемого мультиплексора ввода-вывода на МСВ, выполненного с возможностью управления режимами работы путем изменения конфигурации внутреннего магнитного поля при вариации величины и направления внешнего магнитного поля.
Патентуемый мультиплексор ввода-вывода содержит размещенную на подложке структуру, содержащую два линейных микроволновода из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) с микрополосковыми антеннами на концах для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн (МСВ), и кольцевой резонатор МСВ, размещенный с зазором между микроволноводами с возможностью обеспечения многомодовой связи, источник управляющего магнитного поля.
Резонатор поверхностных МСВ выполнен из пленки ЖИГ в виде прямоугольного замкнутого контура, смежные ребра которого параллельны линейным микроволноводам, а ширина контура равна ширине микроволноводов, причем магнитное поле источника управляющего магнитного поля направлено в плоскости структуры.
Мультиплексор может характеризоваться тем, что дополнительно содержит экран для изменения конфигурации магнитного поля, выполненный в виде сплошной металлической пленки, размещенной с возможностью регулирования зазора над одним из линейных микроволноводов.
Технический результат - создание мультиплексора ввода-вывода с возможностью управления режимами работы устройства за счет изменения конфигурации распределения внутреннего магнитного поля при вариации величины и направления внешнего магнитного поля.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - конструкция устройства;
фиг. 2 - вид на устройство с торца в направлении оси х;
фиг. 3 - амплитудно-частотные характеристики ПМСВ на выходных антеннах;
фиг. 4 - амплитудно-частотные характеристики для разных конфигураций полей;
фиг. 5 - карта распределения интенсивности ПМСВ, полученная методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии на частоте 5,16 ГГц;
фиг. 6 - то же, что на фиг. 5, на частоте 5,18 ГГц;
фиг. 7 - то же, что на фиг. 5, на частоте 5,195 ГГц.
Конструкция мультиплексора ввода-вывода представлена на фиг. 1, 2. Позициями на чертеже обозначены: микроволноводы 1, 2 в форме полосок из пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ), кольцевой резонатор 3, подложка 4 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), антенна 5 для возбуждения ПМСВ; антенны 6, 7, 8 для приема МСВ, 9 - металлический экран.
Элементы электромагнитной связи выполнены в виде микроволноводной структуры для магнитостатических волн на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ). Микроволноводы 1, 2 выполнены на основе пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) в форме двух удлиненных полосок равной ширины w, которые размещенных параллельно друг другу с зазором, выбранным из условия обеспечения режима многомодовой связи ПМСВ между пленками и кольцевым резонатором. На концах указанных полосок микроволноводов 1 и 2 образованы микрополосковые антенны 5, 6, 7, 8 для возбуждения и приема магнитостатических волн.
Режим работы мультиплексора определяется выбранными параметрами распространения ПМСВ: величиной внешнего магнитного поля, частотой входного сигнала, а также величиной зазоров между микроволноводами. Так, от величины внешнего магнитного поля зависит частотный диапазон, в то же время от частоты входного сигнала зависит длина волны ПМСВ, и соответственно длина связи, которая и определяет, по какому из микроволноводов будет распространяться ПМСВ и соответственно на какую из выходных антенн попадет сигнал. Длина связи - это расстояние, на котором ПМСВ, распространяющаяся сначала по микроволноводу 1, полностью перекачивается в микроволновод 2.
H
Подложка 4 представляет собой пленку галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), размеры которой составляют (Ш×Д×Т): 2600 мкм × 8000 мкм × 500 мкм. На поверхности пленки ГГГ сформирована система латерально связанных микроволноводов 1, 2 из пленки ЖИГ толщиной 10 мкм. Расстояние М между расположенными параллельно микроволноводами 1, 2 в области связи составляет М=1600 мкм. Между микроволноводами 1, 2 с зазором на расстояние d=50 мкм размещен кольцевой резонатор 3. Намагниченность насыщения составляет M=139 Гс.
На системе связанных микроволноводов 1, 2 расположены микрополосковые антенны 5, 6, 7 и 8 шириной w=30 мкм, обеспечивающие возбуждение и прием магнитостатических волн. Входная антенна 5 расположена на одном конце микроволновода 1, на другом - выходная антенна 8. Другие выходные антенны 6 и 7 расположены на концах микроволновода 2. Внешнее магнитное поле Но направлено касательно вдоль оси у (см. фиг. 1). Над микроволноводом 2 на расстоянии r=1 мкм расположен металлический экран 9.
Принцип работы данного устройства заключается в том, что входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной Но внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 5. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ), распространяющуюся вдоль микроволновода 1. Далее по мере распространения, ПМСВ будет перекачиваться из микроволновода 1 в кольцевой резонатор, и далее в микроволновод 2, и в зависимости от выбранной конфигурации магнитного поля и частоты, сигнал попадет либо на выходную антенну 6 или 7.
Металлический экран 9 над микроволноводом 2 позволяет изменять фазовую скорость волны, распространяющейся в отрицательном направлении оси х, ввиду проявления эффекта невзаимности. Поэтому с помощью экрана 9, в том числе подвижного, может дополнительно реализоваться управление конфигурацией внутреннего магнитного поля микроволновода 2, что позволяет регулировать направление распространяемой ПМСВ. Такое решение известно из уровня техники (RU 2454788 С1, 27.06.2012) и применено по известному назначению.
На фиг. 3 приведены результаты численного микромагнитного моделирования. Показаны амплитудно-частотные характеристики ПМСВ на выходных антеннах 6-8, которые были получены методом Фурье-преобразования по временной реализации mz компоненты динамической намагниченности в области выходных антенн.
Кривая 91 соответствует сигналу на выходной антенне 6, кривая 93 - на антенне 7, кривая 92 - на антенне 8. Видно, что кольцевой резонатор оказывает влияние на распределение амплитуды выходного сигнала на антеннах 6-8. Моделирование показывает, что если подать на входную антенну 5 сигнал частотой 5,16 ГГц, то ПМСВ дальше будет распространяться в сторону выходной антенны 6. В то же время, если подавать на входную антенну 5 сигналы с частотами 5,18 ГГц и 5,195 ГГц, то ПМСВ будет распространяться по микроволноводам 1, 2 и приниматься выходными антеннами 7 и 8, соответственно.
0
0
На фиг. 4 приведены амплитудно-частотные характеристики на выходной антенне 7, полученные для разных значений внешнего магнитного поля. Кривая 93 соответствует значению поля Н=1200 Э, кривая 94 - Н=1250 Э. Видно, что характерные частоты, на которых осуществляется работа данного устройства, смещены примерно на 0,15 ГГц. Таким образом, возможно за счет регулировки внешнего магнитного поля осуществить управление режимами работы мультиплексора.
Пример выполнения. Микроволноводы 1, 2 из полосок пленки ЖИГ имеют длину L=8000 мкм, толщину t около 10 мкм и намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс. Кольцевой резонатор имеет длину плеча 2000 мкм вдоль оси х, а вдоль оси у - 1500 мкм. Длина внутреннего плеча кольцевого резонатора вдоль оси х составляет s=1000 мкм, вдоль оси у-g=1500 мкм. Зазор между полосками составляет 1600 мкм. Кольцевой резонатор расположен в этом зазоре так, чтобы расстояние между полосками и резонатором составляло d=50 мкм, а расстояние от краев пленок ЖИГ вдоль оси х до краев резонатора составляет р=3000 мкм. Микрополосковые антенны для возбуждения и приема магнитостатических волн имеют ширину 30 мкм.
На фиг. 5-7 показаны результаты эксперимента, полученные методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии. Данные результаты подтверждают описанные выше результаты численного моделирования. Приведены все три возможных варианта режимов работы данного устройства.
На фиг. 5 показан первый возможный режим работы, а именно: ПМСВ, возбужденная микрополосковой антенной 5, распространяясь по микроволноводу 1 связывается с кольцевым резонатором 3, далее волна связывается с микроволноводом 2 и движется по направлению к выходной антенне 6. То есть режим работы мультиплексора обеспечивается тем, что при распространении волны в кольцевом резонаторе происходит образование стоячей волны, которая в свою очередь возбуждает волну в микроволноводе 2.
На фиг. 6 также показан возможный режим работы устройства, но со случаем, когда волна попадает на выходную антенну 7.
На фиг. 7 показан случай, когда волна, выходящая из микрополосковой антенны, распространяясь по микроволноводу 1, не связывается с кольцевым резонатором 3, и продолжает распространяться вдоль микроволновода 1 к антенне 8.
Устройство работает следующим образом. Как описано выше, возможна реализация нескольких режимов работы, которыми возможно управлять, изменяя конфигурацию распределения внутреннего магнитного поля при вариации величины и направления внешнего магнитного поля. Как указывалось, конфигурацию поля возможно менять путем изменения величины внешнего магнитного поля, а также с помощью металлического экрана 9. Экран, помещенный над микроволноводом, влияет на распределение внутреннего поля в микроволноводе. Но при этом, если внешнее магнитное поле развернуть на 180 градусов, то ПМСВ будет распространяться с другой стороны от металлического экрана, поэтому влиять на распространение ПМСВ он не будет. Следовательно, возможно управлять режимами работы данного устройства меняя направление и величину внешнего магнитного поля.
Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, а именно создание мультиплексора ввода-вывода на поверхностных магнитостатических волнах с кольцевым резонатором, в котором управление режимами возможно осуществлять путем изменения конфигурации внешнего магнитного поля.