ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОМПОНЕНТ МАГНОНИКИ НА МНОГОСЛОЙНОЙ ФЕРРОМАГНИТНОЙ СТРУКТУРЕ
FUNCTIONAL COMPONENT OF MAGNONICS ON MULTILAYER FERROMAGNETIC STRUCTURE

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 как величины, так и угла магнитного поля (см., например, обзор «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФЫ, 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 пр. Технологии микроэлектроники дают возможность выполнить на подложках магнитные пленки с особой конфигурацией, толщиной и различными параметрами. Описано устройство на основе магнонного кристалла, используемый для управления частотой спиновых волн (WO 2009145579 А2, Magnonic crystal spin wave device capable of controlling spin wave frequency, Seoul National University Industry Foundation, 03.12.2009). Устройство состоит из волновода на основе тонкой магнитной пленки. Волновод имеет три секции, одна из которых представляет собой периодическую структуру - магнонный кристалл, образованный путем периодического изменения ширины либо толщины ферромагнитной пленки. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления свойствами спектра спиновых волн путем изменения управляющих параметров.
Наиболее близким к патентуемому устройству является функциональный компонент магноники - пленочный магнито-оптический демультиплексор (GB 1531883 (A), INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION, USA, 18.03.1976 - прототип). В данном устройстве управление фазой светового пучка осуществляется путем изменения магнитного поля и поворота плоскости поляризации света. Устройство также может выполнять функции мультиплексора, в случае дополнительного использования поляризаторов и анализаторов. Недостатком устройства является отсутствие возможности управляемой в широком частотном диапазоне перестройки сигнала и многоблочное исполнение устройства.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания функционального компонента магноники, обладающего расширенными возможностями в части реализации многомодового режима и управления характеристиками магнитостатических волн.
Функциональный компонент магноники содержит подложку из немагнитного диэлектрика, ферромагнитные слои железоиттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн (МСВ), источник магнитного поля.
Отличие состоит в том, что он выполнен в виде многослойной 3D структуры, включающей внешний и внутренний ферромагнитные слои, отделенные друг от друга прослойкой немагнитного вещества и расположенные один над другим. Поверхность подложки в сечении имеет форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ. Внешний и внутренний ферромагнитные слои имеют период, совпадающий с периодом образованных канавками на поверхности подложки выступов, боковых граней и пазов, а магнитное поле источника магнитного поля ориентировано перпендикулярно к плоскости подложки с возможностью возбуждения в обоих ферромагнитных слоях объемных МСВ.
Компонент может характеризоваться тем, что внешний и внутренний ферромагнитные слои повторяют контуры выступов, боковых граней и пазов, образованных канавками на поверхности подложки таким образом, что выступу на внутреннем ферромагнитном слое соответствует выступ на внешнем ферромагнитном слое, а также тем, что внешний ферромагнитный слой повторяет контур внутреннего ферромагнитного слоя, образованного на выступах, боковых гранях и пазах канавок на поверхности подложки таким образом, что выступу на внутреннем ферромагнитном слое соответствует паз на внешнем ферромагнитном слое. Подложка и прослойка немагнитного вещества могут быть выполнены из галлий-гадолиниевого граната.
Компонент может характеризоваться и тем, что глубина w канавок составляет от 0,1 до 0,5 толщины d ферромагнитных слоев, период Т канавок составляет от 50 до 100 толщины d ферромагнитных слоев, а кроме того, тем, что прослойка немагнитного вещества имеет толщину S в диапазоне от 0,5 до 10,0 мкм.
Протяженность ферромагнитных слоев в направлении распространения МСВ может составлять от 5000 до 6000 мкм при ширине b=150-250 мкм и толщине d=0,5-2,5 мкм, а ферромагнитные слои - намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс.
Компонент может характеризоваться, кроме того, тем, что микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ размещены вдоль длины внешнего и внутреннего ферромагнитных слоев и/или на выступах и/или на боковых гранях выступов и/или в пазах, образованных канавками, с возможностью приема прямых и обратных объемных МСВ.
Компонент может характеризоваться, также тем, что в режиме демультиплексора микрополосковый преобразователь для возбуждения объемных МСВ размещен на одном конце внутреннего ферромагнитного слоя вдоль его длины, а микрополосковые преобразователи для приема объемных МСВ размещены на другом конце внутреннего ферромагнитного слоя, а также на концах внешнего ферромагнитного слоя вдоль его длины, и выполнены с возможностью приема прямых объемных МСВ на выступах и в пазах, образованных канавками.
Компонент может характеризоваться, и тем, что в режиме демультиплексора микрополосковый преобразователь для возбуждения объемных МСВ размещен на одном конце внутреннего ферромагнитного слоя вдоль его длины, а микрополосковые преобразователи для приема объемных МСВ размещены на другом конце внутреннего ферромагнитного слоя, а также на концах внешнего ферромагнитного слоя вдоль его длины, и выполнены с возможностью приема обратных объемных МСВ на боковых гранях выступов, образованных канавками.
Технический результат - расширение функциональных возможностей в телекоммуникационных системах с большой плотностью информационного сигнала за счет обеспечения многомодового режима распространения МСВ и возможности приема прямых и обратных объемных МСВ.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
фиг. 1 - показан принцип выполнения многослойной ферромагнитной структуры при симметричном расположении выступов и пазов в направлении перпендикулярном плоскости подложки;
фиг. 2 - пример выполнения многослойной ферромагнитной структуры при антисимметричном расположении выступов и пазов и размещение микрополосковых преобразователей МСВ (укрупнено).
Патентуемый функциональный компонент на магнитостатических спиновых волнах содержит подложку 1 из немагнитного диэлектрика, например, из галлий-гадолиниевого граната, на которой выполнена многослойная 3D структура. Поверхность подложки 1 в сечении имеет форму меандра, образованного совокупностью периодических канавок 2, продольная ось 21 которых перпендикулярна направлению распространения МСВ.
Многослойная 3D структура включает внешний 31 и внутренний 32 ферромагнитные слои, отделенные друг от друга прослойкой 4 немагнитного вещества толщиной G и расположенные один над другим. Ферромагнитные слои 31 и 32 представляют собой пленки железоиттриевого граната (ЖИГ). Компонент содержит ряд микрополосковых преобразователей для возбуждения и приема МСВ, а также источник магнитного поля (на фигуре 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 выполнен регулируемым в диапазоне напряженностей Н=2-10 кЭ.
Внешний 31 и внутренний 32 ферромагнитные слои имеют период Т, совпадающий с периодом t образованных канавками 2 на поверхности подложки 1 выступов 22, боковых граней 23 и пазов 24. Период Т канавок 2 выбран таким, чтобы толщина d ферромагнитных слоев 31, 32 была много меньше других линейных размеров структуры.
1
Толщина d ферромагнитных слоев 31,32 выбирается в диапазоне 0,1-10 мкм. Глубина канавок w (w) не превышает двух толщин d ферромагнитной пленки и определяется желаемыми свойствами фильтрации объемных МСВ.
На фиг. 1 показана топология структуры при симметричном расположении выступов 22 и пазов 24 в направлении перпендикулярном плоскости подложки 1. Соответственно ферромагнитные слои 31, 32 повторяют контуры выступов 22, боковых граней 23 и пазов 24 таким образом, что выступу 221 на внутреннем ферромагнитном слое 32 соответствует выступ 22 на внешнем ферромагнитном слое 31.
На фиг. 2 показан пример выполнения многослойной ферромагнитной 3D структуры при антисимметричном расположении выступов 22 и пазов 24: выступу 221 на внутреннем ферромагнитном слое 32 соответствует паз 24 на внешнем ферромагнитном слое 31.
1
Глубина w (w) канавок 2 составляет от 0,1 до 0,5 толщины d ферромагнитных слоев 31,32, период Т канавок 2 составляет от 50 до 100 толщины d ферромагнитных слоев 31, 32.
Прослойка 4 немагнитного вещества, которым, в частности, может быть пленка галлий-гадолиниевого граната, имеет неравномерную толщину S по направлению X по длине подложки 1, обусловленную формой меандра и имеет минимальный размер G. Величина связи мод МСВ обратно пропорциональна G. Толщина S находится в диапазоне от 0,5 до 10,0 мкм. Прослойка может быть выполнена из любого диэлектрика, в том числе в виде воздушного зазора.
Протяженность ферромагнитных слоев 31, 32 в направлении распространения МСВ (направление X) составляет от 5000 до 6000 мкм при ширине b=150-250 мкм (направление Y) и толщине d=0,5-2,5 мкм. Ферромагнитные слои 31, 32 имеют намагниченность М насыщения в диапазоне от 130 до 150 Гс.
Микрополосковые преобразователи 51, 52, 53, 54 для возбуждения и приема МСВ могут быть размещены вдоль длины (в направлении X) внешнего 31 и внутреннего 32 ферромагнитных слоев на выступах 22, на их боковых гранях 23 и/или в пазах 24, образованных канавками 2, с возможностью приема прямых и обратных объемных МСВ. Соответственно преобразователи 51, 52, 53, 54 являются входными и выходными портами устройства обработки сигналов.
Например, при реализации демультиплексора мощности СВЧ сигнала на основе патентуемого компонента входной микрополосковый преобразователь 51 для возбуждения объемных МСВ конструктивно может быть размещен на одном конце 321 внутреннего ферромагнитного слоя 32. Микрополосковые преобразователи 52, 53, 54 для приема объемных МСВ, то есть выходные порты демультиплексора, размещены на другом конце 322 пленки внутреннего ферромагнитного слоя 32, а также на концах 311, 312 внешнего ферромагнитного слоя 31. Микрополосковые преобразователи 52, 53, 54 могут размещаться для приема прямых и обратных объемных МСВ на боковых гранях выступов 22 и/или в пазах 24, образованных канавками 2.
Преимуществом патентуемого компонента является возможность функционировать в многомодовом режиме за счет наличия связи между расположенными один над другим ферромагнитными слоями 31, 32 пленок ЖИГ и распространяющимися в этой многослойной структуре объемными МСВ. Это позволяет расширить функциональные возможности телекоммуникационных систем с большой плотностью информационного сигнала, в частности использовать патентуемый функциональный компонент при реализации, например, делителя мощности (RU 2666969) или направленного ответвителя (RU 2623666) в магнонных сетях.
В зависимости от места расположения микрополосковых преобразователей возможно снимать сигналы с разным фазовым набегом. Ввиду наличия периодичности обеих вертикальных структур, для данного демультиплексора имеются, во-первых, запрещенные зоны на периодах соответствующих брэгговским. При параметре, когда глубина канавок w больше толщины d ферромагнитных слоев 31, 32 (w>d), возможно подавление сигнала за счет преобразования волны из прямой объемной МСВ в обратную объемную МСВ на границах (П.А.Попов, А.Ю.Шараевская, Д.В. Калябин, А.И. Стогний, Е.Н.Бегинин, А.В.Садовников, С.А.Никитов, Объемные спиновые магнитостатические волны в трехмерных ферромагнитных структурах // Радиотехника и Электроника, 2018, том 63, No 12, с. 1-9).
Принцип действия патентуемого многослойного компонента в качестве демультиплексора обеспечивается за счет нелинейного перераспределения сигнала на связанных модах колебаний МСВ. В зависимости от входной мощности и фазы СВЧ сигнала импульс выйдет через один из выходных портов структуры. Входным портом СВЧ сигнала для возбуждения МСВ во внутреннем ферромагнитном слое 32 является микрополосковый преобразователь 51, а выходными портами - преобразователи 52, 53, 54. В зависимости от величины Н управляющего магнитного поля, после возбуждения входным преобразователем 51 объемная МСВ распространяется либо в том же канале, а именно в слое 32 и принимается выходным преобразователем 52, либо за счет связи волноводных каналов возбуждается во втором канале, а именно в слое 31 и принимается выходными преобразователями 53, 54. Таким образом, возможно переключение сигнала из порта в порт, перекачка, а также полное подавление сигнала в зависимости от параметров подаваемого управляющего импульса. Кроме того, принципиальная схема устройств на связанных модах колебаний является более простой, так как не требует дополнительных элементов: фазовращателей, аттенюаторов и делителей мощности, поскольку все эти функции могут быть реализованы самой связанной структурой. Существует также дополнительная возможность управления описанными выше эффектами посредством изменения внешнего магнитного поля (Морозова М.А, Матвеев О.В., Шараевский Ю.П. // ФТТ, т. 58, вып. 10, с. 1899-1906, 2016).
Следует ожидать, что патентуемый компонент позволит расширить функциональные возможности в телекоммуникационных системах с большой плотностью информационного сигнала за счет обеспечения многомодового режима распространения МСВ и возможности приема прямых и обратных объемных МСВ.