ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МАГНОНИКИ
FUNCTIONAL ELEMENT OF MAGNONICS

Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано при конструировании приборов на магнитостатических волнах в гигагерцовом диапазоне частот.
Устройства на магнитостатических спиновых волнах (МСВ) обладают возможностью перестройки параметров (коэффициенты передачи, время задержки) и частотных режимов работы за счет изменения как величины, так и угла магнитного поля (см., например, обзор «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФН, т. 185, №10, 2015, с.с. 1099-1128). Эти характеристики позволяют реализовать устройства для обработки сигналов с множеством функций, например, задержки сигналов, направленного ответвления, фильтрации и др. функций. Технологии микроэлектроники дают возможность выполнить на подложках магнитные пленки с особой конфигурацией, толщиной и свойствами (см., например, И.А. Накрап, А.Н. Савин, Ю.П. Шараевский. ВЛИЯНИЕ НАМАГНИЧЕННОЙ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ НА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕАНДРОВОЙ МИКРОПОЛОСКОВОЙ ЛИНИИ/ РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2006, том 51, №3, с. 320-327).
Так, известен ответвитель на МСВ (DE 4204299 (A1), Non-reciprocal waveguide coupler using magnetostatic surface waves - whose direction of propagation on epitaxial garnet film is at right angles to fundamental magnetic field, SIEMENS AG, 18.09.1993). Он содержит подложку из галлий-гадолиниевого граната, выращенную на данной подложке пленку из железо-иттриевого граната (ЖИГ) и располагающиеся на данной пленке микрополосковые антенны, обеспечивающие возбуждение спиновых волн в пленке ЖИГ. Устройство может быть использовано в качестве n-портового направленного ответвителя на частотах по меньшей мере нескольких ГГц, а также фазовращателя. Частотно-избирательный ответвитель на основе латерально связанной мультиферроидной структуры работает в многомодовом режиме, позволяет расширить функциональные возможности в системах с большой плотностью информационного сигнала (RU 166410 U1, СГУ, 27.11.2016).
В изобретении (RU 2623666 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 28.06.2017), описан трехканальный микроволновый ответвитель мощности СВЧ сигнала с управлением частотным диапазоном ответвления и шириной полосы частот. Содержит размещенную на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) микроволноводную структуру из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), антенны для возбуждения МСВ, слой пьезоэлектрического материала, снабженный металлическими электродами для обеспечения пьезомагнитного взаимодействия.
Известен модулятор с управлением уровнем режекции СВЧ-сигнала в полосе частот (RU 2454788 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 27.06.2012), который включает протяженную структуру на основе магнонного кристалла из ферритовой пленки ЖИГ с поверхностной периодической структурой в виде параллельных канавок, глубина которых составляет 0,01-0,2 толщины пленки, размещенных перпендикулярно оси протяженной структуры, микрополосковые преобразователи. Поверхностные МСВ, распространяющиеся в пленке ЖИГ, испытывают периодическое рассеяние, в результате чего в их спектре возникают полосы непропускания.
Известны также функциональные СВЧ-устройства различного назначения, использующие т.н. магнонные кристаллы в качестве среды для распространения МСВ (С.А. Никитов, Ю.А. Филимонов, С.Л. Высоцкий, Е.С. Павлов, Н.Н. Новицкий, А.И. Стогний. “Физические основы фильтрации СВЧ сигналов с использованием магнонных кристаллов”. // Сборник научных трудов “Гетеромагнитная микроэлектроника”. - 2008. - В. 5. - С. 78-86. Магнонные кристаллы представляют собой пленки ЖИГ с вытравленными поверхностными структурами в виде канавок, ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ. Пленка ЖИГ размещается между входным и выходным микрополосковыми преобразователями СВЧ. Однако, в данных функциональных СВЧ-устройствах, использующих одномерные и двумерные магнонные кристаллы, волноведущие структуры для МСВ являются планарными, что не позволяет повышать плотность размещения функциональных элементов путем соединения их в многослойные структуры. Технология выполнения периодических наноструктур в целом известна и описана в применении к среде для магнитной записи (см., например, US 6351339, RONNI CORP., 26.02.2002; RU 2391717 С1, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 10.06.2010).
Проблема, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей элемента путем трансформации видов МСВ в процессе распространения по структуре для достижения фильтрации, направленного ответвления, СВЧ сигналов, а также обеспечение возможности соединения между собой магнонных элементов в многослойные трехмерные структуры.
Патентуемый функциональный элемент магноники содержит немагнитную подложку, размещенную на ней ферромагнитную пленку из железоиттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических волн (МСВ) в пленке ЖИГ, источник магнитного поля.
Отличие состоит в том, что на поверхности подложки, прилежащей к пленке ЖИГ, образована структура в форме меандра из канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ, при этом пленка ЖИГ повторяет контур образованных канавками выступов, боковых граней и пазов, а магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно к плоскости подложки с возможностью возбуждения в пленке ЖИГ объемных МСВ.
Элемент может характеризоваться тем, что подложка выполнена из галлий-гадолиниевого граната, кроме того, тем, что глубина w канавок составляет от 0,1 до 0,5 толщины d пленки, а период Т канавок составляет от 50 до 100 толщины d пленки ЖИГ, а также тем, что канавки имеют в сечении прямоугольную или трапециевидную форму, а толщина пленки ЖИГ составляет 1-10 мкм при намагниченности М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс.
Элемент может характеризоваться и тем, что, по меньшей мере, один микрополосковый преобразователь для возбуждения МСВ размещен на образованных выступах, а по меньшей мере один микрополосковый преобразователь для приема МСВ - на боковых гранях выступов и/или в пазах, образованных канавками, с возможностью приема прямых и обратных объемных МСВ.
Элемент может характеризоваться и тем, что, при реализации многоотводного полосно-заграждающего фильтра на объемных МСВ, период Т канавок выбран из условия кратности целому числу длин полуволн.
Технический результат - расширение функциональных возможностей элемента путем трансформации видов объемных МСВ в процессе распространения по структуре для достижения фильтрации, направленного ответвления СВЧ сигналов, а также обеспечение возможности соединения между собой магнонных элементов в многослойные трехмерные структуры.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
фиг. 1 - показана структура функционального элемента магноники;
фиг. 2 - блок-схема многоотводного полосно-заграждающего фильтра на МСВ, реализованного на описанной структуре.
Структура содержит немагнитную диэлектрическую подложку 1, размещенную на ней ферромагнитную пленку 2 из железоиттриевого граната (ЖИГ) (фиг. 1). Подложка выполнена из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ).
Микрополосковые преобразователи 3 для возбуждения и приема МСВ связаны с пленкой 2 ЖИГ. Элемент содержит источник магнитного поля (на фигурах условно не показан). Вектор Н напряженности магнитного поля направлен по нормали к плоскости подложки 1 с образованной на ее поверхности структурой и совпадает с направлением Z тройки векторов (показанной на фиг. 1). Направление X совпадает с длиной подложки 1 структуры, направление Y - с шириной b структуры. Внешний источник магнитного поля (на фиг. не показан) выполнен регулируемым в диапазоне напряженностей Н=2-10 кЭ.
1
2
На поверхности немагнитной подложки 1 толщиной S, прилежащей к пленке 2 ЖИГ, образована структура в форме меандра из прямоугольных канавок 4, продольная ось 41 которых перпендикулярна направлению распространения объемных МСВ и совпадает с направлением Y. Пленка 2 ЖИГ повторяет контур выступов 42, боковых граней 43 и пазов 44, образованных канавками 4. Толщина d пленки 2 ЖИГ выбирается в диапазоне d=0,1-10 мкм. Период Т меандра, образованного канавками 4, много больше толщины d пленки 2 (T>>d) и выбран из условия распространения в пленке ЖИГ объемных спиновых МСВ. Глубина W канавок (W<<S) не превышает двух толщин ферромагнитной пленки 2 ЖИГ (т.е. W≤2d) и определяется желаемыми свойствами фильтрации объемных МСВ. Ширина t выступов 42 и ширина t пазов 44 равны периоду Т меандра.
Пример реализации. Блок-схема многоотводного полосно-заграждающего фильтра на объемных МСВ, выполненного на описанной структуре, показана на фиг. 2. Микрополосковые преобразователи 3 для возбуждения и приема МСВ размещены на образованных канавками 4 выступах 42 с возможностью возбуждения и приема объемных МСВ. Микрополосковый преобразователь 31 предназначен для возбуждения МСВ и размещен на выступе 421. Другие микрополосковые преобразователи 32, 33, 34 (их число выбирается исходя из назначения фильтра и числа отводов) размещены на выступах 422, боковых гранях 431, 432 канавок 4 и обеспечивают прием объемных МСВ (выходы от преобразователей 32-34 условно обозначены поз. 35).
Соответственно, для данной конфигурации приемный преобразователь 32 обеспечивает прием прямых (forward), а преобразователи 33 и 34 - обратных (backward) объемных МСВ.
Рабочая область частот магнонного элемента при его различных применениях, например, в качестве фильтра на МСВ или логического вентиля, управляемого магнитным полем может быть легко перестроена в широких пределах путем изменения насыщающего магнитного поля.