Исследование интенсивных спиновых волн в ферромагнитных пленках и нелинейного СВЧ интерферометра на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Устинов, Алексей Борисович

• Устинов, Алексей Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Устинов, Алексей Борисович

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ И ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА ИХ ОСНОВЕ (обзор)

1.1. Спектр нормальных спиновых волн в ферромагнитных пленках.

1.2. Колебания намагниченности с учетом потерь. Затухание спиновых волн.

1.3. Нелинейность спиновых волн.

1.4. Нелинейный сдвиг волновых чисел спиновых волн.

1.5. Метод огибающих. Нелинейное уравнение Шредингера.

1.6. Спин-волновые фазовращатели.

1.7. АЧХ и ФЧХ спин-волновых фазовращателей.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАТУХАНИЯ И ФАЗОВОГО НАБЕГА ИНТЕНСИВНЫХ

СПИНОВЫХ ВОЛН.

2.1. Нелинейное затухание интенсивных спиновых волн. ф 2.2. Нелинейный фазовый набег интенсивных спиновых волн.

2.3. Эволюция амплитуды и фазы интенсивных спиновых волн с учетом их нелинейного затухания.

2.3.1. Влияние нелинейного затухания спиновых волн на предаточные, амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики фазовращателей.

2.3.2. Влияние параметров конструкции нелинейного фазовращателя на нелинейный фазовый набег спиновых волн.

2.4. Экспериментальное исследование нелинейного затухания спиновых волн.

2.4.1. Экспериментальные макеты, экспериментальная установка и методика измерений.

2.4.2. Экспериментальные результаты.

2.4.3. Вычисление коэффициентов нелинейного затухания спиновых волн.

2.5. Экспериментальное исследование нелинейного сдвига фазы интенсивных спиновых волн.

2.5.1. Методика измерений.

2.5.2. Экспериментальные результаты.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО СПИН* ВОЛНОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА.

3.1. Модель нелинейного спин-волнового пленочного СВЧ интерферометра.

3.2. Коэффициент передачи интерферометра.

3.3. АЧХ и ФЧХ интерферометра с нелинейными фазовращателями на спиновых волнах одинаковых типов дисперсии.

3.3.1. Моделирование АЧХ и ФЧХ.

3.3.2. Влияние параметров конструкции на характеристики интерферометра.

3.3.3. АЧХ интерферометра в случае равенства времен задержки фазовращателей.

3.4. АЧХ и ФЧХ интерферометра с нелинейными фазовращателями на спиновых волнах различных типов дисперсии.

3.4.1. Моделирование АЧХ и ФЧХ.

3.4.2. Влияние параметров конструкции на характеристики интерферометра.

3.4.3. АЧХ и ФЧХ интерферометра в случае равенства времен задержки фазовращателей.

3.5. Передаточная характеристика интерферометра без учета нелинейного затухания спиновых волн.

3.6. Передаточная характеристика интерферометра с учетом нелинейного затухания спиновых волн.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО СПИН

ВОЛНОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА.

4.1. Исследование интерферометра при непрерывном входном сигнале

4.1.1. Экспериментальная установка.

4.1.2. Экспериментальные макеты.

4.1.3. Методика измерений.

4.1.4. Экспериментальные результаты.

• ■ 4.2. Исследование интерферометра при импульсном входном сигнале

4.2.1. Экспериментальная установка, экспериментальные макеты и методика измерений.

4.2.2. Экспериментальные результаты.

4.3. Исследование амплитудно-селективного подавления радиоимпульсов.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование интенсивных спиновых волн в ферромагнитных пленках и нелинейного СВЧ интерферометра на их основе»

-Г'ДО

Появление несколько десятилетий назад технологии выращивания монокристаллических эпитаксиальных пленок железо-иттриевого граната (ЖИГ) послужило началом исследований, направленных на создание нового класса устройств обработки сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов - приборов спин-волновой электроники. К основным физическим явлениям, лежащим в основе работы таких приборов, относятся возбуждение и распространение спиновых волн (СВ) - волн намагниченности, распространяющихся в ферромагнитных пленках. С помощью спин-волновых устройств может осуществляться обработка сигнала непосредственно в сверхвысокочастотном диапазоне: фильтрация, дисперсионная и бездисперсионная задержка, управление фазой, свертка сигналов и др. Основными достоинствами устройств спин-волновой электроники являются возможность электрической перестройки центральной частоты и рабочей полосы, малые потери на распространение СВ, простые конструкции антенн СВ и др. [1,2].

В последнее десятилетие наблюдается возрастание интереса к исследованию нелинейных свойств спиновых волн, распространяющихся в ферромагнитных пленках, а также к созданию нелинейных спин-волновых

1.' устройств. Были исследованы такие нелинейные явления, как модуляционная неустойчивость [3], солитоны огибающей [3, 4], а также нелинейный сдвиг собственных частот интенсивных спиновых волн [5]. Однако ряд важных вопросов к моменту начала работы над диссертацией оставался не изученным. Сюда относятся задачи исследования затухания и фазового набега интенсивных СВ, распространяющихся в ферромагнитных пленках. Интерес к исследованию названных явлений обусловлен необходимостью расчетов амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик разрабатываемых нелинейных спин-волновых приборов, простейшим из которых является нелинейный фазовращатель (ФВ).

К моменту начала работы над диссертацией были разработаны и изучёйы разнообразные нелинейные спин-волновые приборы, такие, как шумоподавители, конвольверы, генераторы сигналов и т.д. Вместе с тем, анализ литературы показал, что нелинейные спин-волновые СВЧ интерферометры не исследовали.

Целью диссертационной работы является исследование нелинейного затухания и фазового набега интенсивных спиновых волн в ферромагнитных пленках, а также исследование нелинейного спин-волнового СВЧ интерферометра.

В соответствии с поставленной целью основными задачами т диссертационного исследования являются:

1. Исследование нелинейного затухания интенсивных спиновых волн различных типов, распространяющихся в пленках железо-иттриевого граната.

2. Разработка методов расчета нелинейного фазового набега интенсивных спиновых волн.

3. Экспериментальное исследование нелинейного фазового наб@га интенсивных спиновых волн в пленках ЖИГ на макетах нелинейных спйн-волновых фазовращателей. ^

4. Разработка теоретической модели и методов расчета характеристик нелинейного СВЧ интерферометра, в состав которого входят нелинейные спин-волновые фазовращатели.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейного спин-волнового интерферометра.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано нелинейное затухание СВ и разработаны методы расчета нелинейного фазового набега интенсивных СВ.

2. Исследовано влияние нелинейного затухания и нелинейного фазового набега СВ на передаточные, амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) спин-волновых фазовращателей.

3. Разработана модель нелинейного спин-волнового СВЧ; интерферометра, а также методика инженерного расчета его основных рабочих характеристик. Выполнен расчет АЧХ, ФЧХ и передаточных характеристик интерферометра. Исследовано влияние параметров конструкции интерферометра на его характеристики.

4. Экспериментально исследованы характеристики нелинейного интерферометра при непрерывных и импульсных входных сигналах. ПокаЗайо, что явление возникновения нелинейного изменения фазового набега спиновых волн при увеличении их амплитуды позволяет реализовать амплитудно-селективное подавление импульсных СВЧ сигналов в нелинейном интерферометре.

Новые научные , результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать научные положения, выносимые на защиту:

1. При увеличении плотности мощности спиновых волн, распространяющихся в тонких пленках железо-иттриевого граната, до значений порядка 0,1 Вт/мм2 возникает нелинейное затухание спиновых волн, величина которого зависит от уровня мощности.

2. Решение граничной задачи для пленок железо-иттриевого граната показало, что при внутренних полях меньших 3250 Э наибольший нелинейный фазовый сдвиг приобретают прямые объемные спиновые волны, распространяющиеся в нормально намагниченных пленках, а при больших полях - поверхностные спиновые волны, распространяющиеся в касательно намагниченных пленках.

3. В нормально намагниченных пленках железо-иттриевого граната нелинейный поворот фазы спиновых волн на 180 градусов достигается ниже порога модуляционной неустойчивости на длинах распространения, измеряемых -миллиметрами.

4. Использование нелинейного фазового сдвига в нелинейных спин-волновых СВЧ интерферометрах позволяет подавлять не только непрерывные, 'но и импульсные СВЧ сигналы. При этом для эффективного подавления необходимо, чтобы ширина основного лепестка частотного спектра входных сигналов б£$ла меньше, чем разность частот между соседними максимумами амплитудйо-частотной характеристики интерферометра.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем^

1. Предложена и экспериментально обоснована методика расчета нелинейного фазового набега и нелинейного затухания интенсивных спиновых' волн, распространяющихся в ферромагнитных пленках. Полученные результаты можно использовать при разработке спин-волновых приборов, работающих при 1 высоких уровнях СВЧ сигнала.

2. Создан пакет программ, позволяющий рассчитывать эволюцию амплитуды и фазы интенсивных спиновых волн с учетом их нелинейного затухания в спин-волновых СВЧ приборах типа фазовращателей и линий задержки.

3. Разработаны и экспериментально обоснованы методы расчета характеристих нелинейного СВЧ интерферометра. Создан пакет программ для расчета характеристик устройства. Этот пакет позволяет путем варьирования параметров конструкции интерферометра выбирать оптимальные режимы его работы.

Результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на ряде конференций и семинаров различного уровня, в частности, International Magnetic Conference "INTERMAG" (Amsterdam, 2002 и Boston, 2003), Annual Conference on Magnetism&Magnetic Materials (Florida, 2004), на "Второй объединенной конференции по магнитоэлектронике" (Екатеринбург, 2000), на конференции "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 2000), на конференциях "International Student Seminar on Microwave Applications of NoVel Physical Phenomena", (Санкт-Петербург, 2001 и 2004), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (2001, 2002 и 2003), на ежегодных молодежных конференциях "Политехнический симпозиум" (Санкт-Петербург 2000, 2001,2002, 2003 и 2004) и др.

По теме диссертации автором опубликовано 11 печатных работ, в том числе - 3 статьи в научных журналах и тезисы к восьми докладам на научно-технических конференциях.

I.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 3-х приложений и списка литературы, включающего 58 наименований. Основная часть работы изложена на 99 страницах машинописного текста. Работа содергкит

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Устинов, Алексей Борисович

'неосновные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем. *

1. Построена теория нелинейного затухания и нелинейного фазового

Ф. сжця: набега интенсивных СВ, распространяющихся в ферромагнитных пленках. Полученные выражения можно использовать при решении широкого круга задач, связанных с численным расчетом передаточных, амплитудно-частотны^'и фазочастотных характеристик нелинейных спин-волновых СВЧ приборов.

2. Проанализировано влияние нелинейного затухания спиновых волн на передаточные, амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики нелинейного фазовращателя. Показано, что наличие нелинейного затухания СВ

V/ приводит: (1) к более сильному уменьшению амплитуды СВ и, следовательно, к более сильному ослаблению СВЧ сигнала в нелинейном фазовращателе; (2) к уменьшению нелинейного фазового набега интенсивных СВ; (3) к насыщению амплитуды СВ на выходе нелинейного фазовращателя, и, следовательно,' к ограничению мощности его входного СВЧ сигнала. Проведена оценка влияния величин коэффициентов нелинейного затухания третьего порядка V] и пятого порядка у2 • Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что нелинейное затухание третьего порядка начинает существенно влиять на характеристики нелинейного спин-волнового фазовращателя при значениях у,,

9 1 превышающих 10 с", а нелинейное затухание пятого порядка начинает

• - )ч существенно влиять при значениях у2, превышающих 1012 с"1.

3. Проанализировано влияние параметров пленочных волноводов«*на величину нелинейного сдвига фазы спиновых волн. Показано, что нелинейный сдвиг фазы спиновых волн прямо пропорционален их нелинейному коэффициенту и обратно пропорционален групповой скорости. Для всех типов спиновых в<йн уменьшение толщины ферромагнитной пленки приводит к уменьшению групповой скорости спиновых волн в то время, как нелинейный коэффициент изменяется слабо. Поэтому уменьшение толщины ферромагнитной пленки приводит к увеличению нелинейного сдвига фазы спиновых волн. Для всех типов спинощлх волн наблюдается слабая зависимость нелинейного сдвига фазы спиновых воЛ0%т волнового числа спиновой волны и намагниченности насыщения ферромагнитной пленки. Для прямых объемных и обратных объемных СВ при увеличении поля подмагничивания нелинейный коэффициент и групповыя скорость практически не меняются в то время, как для поверхностных спиновых волн при увеличении поля подмагничивания нелинейный коэффициент возрастает, а групповая скорость уменьшается. При внутренних полях меньших 3250 Э наибольшим нелинейным фазовым сдвигом обладают прямые объемные спиновые волны, а при внутренних полях больших 3250 Э наибольшим нелинейным фазовым сдвигом обладают поверхностные спиновые волны. Таким образом, наибольший нелинейный фазовый сдвиг при увеличении уровня мощности на частотах ниже 9,1 ГГц приобретают прямые объемные СВ, а на частотах выше 9,1 ГГц - поверхностные СВ. Эта закономерность может играть решающую роль при выборе типа спиновой волны нелинейного фазовращателя для построения нелинейных СВЧ приборов.

4. Экспериментально исследован нелинейный сдвиг фазы интенсивных спиновых волн в нелинейном фазовращателе при уровнях мощности, лежащих -I ниже порога возникновения модуляционной неустойчивости спиновых волн. Показано, что нелинейный фазовый набег интенсивных СВ в норма$2$!0

- "Т.! намагниченных пленках более чем на 180 градусов происходит при увеличении уровня мощности СВЧ сигнала до значений, лежащих ниже порога возникновения модуляционной неустойчивости СВ. Такое свойство нелинейных СВ подтверждает пригодность нелинейных спин-волновых фазовращателей для создания нелинейных СВЧ интерферометров.

5. Разработана теоретическая модель нелинейного СВЧ интерферометра на спиновых волнах. Выведены формулы, позволяющие рассчитывать амплитудно-частотные, фазочастотные, а также передаточные характеристики нелинейного спин-волнового интерферометра. Моделирование показало, что амплитудно-частотная характеристика интерферометра имеет вид чередующихся максиму минимумов. Максимумы (минимумы) наблюдаются на тех частотах, на которых сигналы, прошедшие разные плечи интерферометра, складываются синфЩро (противофазно). Если складывающиеся сигналы имеют одинаковую мощность, то в точках минимума значения АЧХ равны нулю. Фазочастотная характеристика*-в точках минимума АЧХ претерпевает скачок на 180 градусов.

6. Выведены формулы для расчета значений параметров констр^кщш нелинейного интерферометра, при которых обеспечивается равенство времён задержки сигналов в плечах интерферометра. Для интерферометра с фазовращателями на прямых объемных СВ и поверхностных СВ показано, что если параметры конструкции фазовращателей удовлетворяют выведенной формуле, то интерферометр с такими фазовращателями будет обеспечивать наилучшее подавление СВЧ импульсов. Для интерферометра с фазовращателями на обратных объемных СВ и поверхностных СВ показано, что вблизи той частоты, на которой выполняется равенство времен задержки, фаза сигнала на выходе интерферометра практически не изменяется между скачками фазы на 180 градусов.

7. Проанализировано влияние нелинейного затухания спиновых воднша передаточную характеристику нелинейного интерферометра. Показано, что наличие нелинейного затухания спиновых волн приводит к тому, что мощность, при которой наблюдается противофазное сложение сигналов на выходе интерферометра, увеличивается. Следовательно, увеличивается мощность входных сигналов интерферометра, при которых наблюдается их полное подавление. Это происходит из-за того, что нелинейное затухание СВ приводит к уменьшению тих нелинейного фазового набега. ~

8. Проведено экспериментальное исследование нелинейШро интерферометра при непрерывном и импульсном входных СВЧ сигналах, а также продемонстрированы различные режимы его работы. В частности, по1Й83Ш& возможность амплитудно-селективного подавления импульсных СВЧ сигналов в нелинейном интерферометре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Устинов, Алексей Борисович, 2004 год

1. Adam J.D. Analog signal processing with microwave magnetics // Proc.IEEE, 1988, vol.76, N.2, pp.159-170.

2. Вашковский A.B., Стальмахов B.C., Шараевский Ю.П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Изд. Саратовского университета, 1993, 311 с.

3. Калиникос Б.А., Ковшиков Н.Г., СлавинА.Н. Солитоны огибающей и модуляционная неустойчивость дипольно-обменных волн намагниченности в пленках железоиттриевого граната // ЖЭТФ, 1988, том 94, вып. 2, с. 159-176.

4. Кокин А.В., Никитов С.А. Влияние непрерывной накачки на распространение солитонов огибающей магнитостатических спиновых волн// ФТТ, 2001, том 43, вып. 5, с. 851-854.

5. М. A. Tsankov, М. Chen, and С. Е. Patton. Magnetostatic wave dynamic magnetization response in yttrium iron garnet films // J. Appl. Phys. 1996. vol. 79. pp. 1595-1604.

6. Lai Q., banker M„ Hunziker W. and Malhior H. Tunable wavelenght-selection switch and multiplexer/demultiplexer based on asymmetric silica-on-silicon Mach-Zehnder interferometer // Electronics Letters, 1998, vol. 34. No. 3, pp. 266-267.

7. Agrawal G.P. Nonlinear fiber optics. Academic Press, San Diego, 1995.- p. 592

8. Damon R.W., Eshbach J.R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab// J. Phys. Chem. Solids, 1961, vol. 19, P.308-320.

9. Damon R.W., van de Vaart H. Propagation of magnetostatic spin waves at microwave frequencies in a normally magnetized disk// J. Appl. Phys., 1965, vol. 36, p.3453-3459.

10. Ганн B.B. Неоднородный резонанс в ферромагнитной пластинке// ФТТ, 1966, т. 8, №11, с. 3167-3172.

11. Филиппов Б.Н. О колебаниях намагниченности в ферромагнитных пластинах// ФММ, 1971, т. 32, № 5, с. 911-924.

12. Филиппов Б.Н., Титяков И.Г. О колебаниях намагниченности в ферромагнитных пластинах// ФММ. 1973, т. 35, № 1, с. 28-38.

13. Филиппов Б.Н. Поверхностные спиновые и магнитоупругие волны в ферромагнетиках. Свердловск, Препринт 80/1 института физики металлов, 1980.-63 с.

14. Хлебопрос Р.Г., Михайловская J1.B. Спиновые колебания в ферромагнитном слое//Изв. АН СССР, сер. физ., 1972, т. 36, с. 1522-1530.

15. Михайловская Л.В., Хлебопрос Р.Г. Влияние поверхностного закрепления спинов на магнитостатический спектр ферромагнитного слоя// ФТТ, 1974, т.16, №1, с.77-82.

16. Луговской А.В., Зильберман П.Е. Обменные осцилляции спектра и затухания прямых объемных магнитостатических волн в тонкой ферромагнитной пластине// ФТТ, 1982, т. 24, № 2, с. 458-462.

17. De Wames R.E., Wolfram Т. Dipole-exchange spin waves in ferromagnetic films// J. Appl. Phys., 1970, vol. 41, N 3, p. 987-993.

18. Wolfram Т., De Wames R.E. Effect of exchange on the magnetic surface states of yttrium iron garnet films// Solid State Comm., 1971, Vol. 8, N 3, p. 191-194.

19. Sparks M. Effect of exchange on magnetostatic modes// Phys. Rev. Lett., 1970, vol. 24, N21, p. 1178-1180.

20. Вендик О.Г., Чарторижский Д.Н. Дисперсионное уравнение для неоднородных колебаний намагниченности в ферромагнитной пластине// ФТТ.-1970.-Т.12, №5, С. 1538-1540.

21. Вендик О.Г., Чарторижский Д.Н. О влиянии граничных условий для вектора намагниченности на дисперсию спиновых волн в тонкой ферромагнитной пленке//Изв.ЛЭТИ.-1970.-Вып.96,- С. 1538-1540.

22. Чарторижский Д.Н. Нормальные колебания и нормальные волны в тонких ферромагнитных пленках на СВЧ: Дисс. Канд. Физ.-мат. наук.-Ленинград.-ЛЭТИ.- 1973.

23. Калиникос Б.А., Митева С.И. Дисперсионное уравнение для слоистой структуры металл-магнитодиэлектрик// Изв. вузов СССР -Радиоэлектроника.-1980.-Т.23, №5.- С.74-75.

24. Калиникос Б.А., Митева С.И. Дисперсия дипольно-обменных спиновых волн в слоистой структуре// ЖТФ. 1981.-Т.26, № 10.- С.2213-2215.25.