ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МИКРОВОЛНОВОДОВ Российский патент 2024 года по МПК H01P5/00 H03K19/03 

Область техники

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве логического устройства на основе системы ферритовых микроволноводов.

Уровень техники

Известно логическое устройство на магнитостатических волнах (см. статью «Интерференция спиновых волн в решетках из микроволноводов на основе пленок железо-иттриевого граната», авторы - Ю.В. Хивинцев, А.В. Кожевников, В.К. Сахаров, Г.М. Дудко, Ю.А. Филимонов, A. Khitun// Журнал технической физики, 2019, том 89, вып. 11. - С. 1712-1718), содержащее 8-ми портовую магнонную структуру в виде решетки 2 × 2 из микроволноводов на основе пленок железо-иттриевого граната с расположенными на концах волноводов микроантеннами. Решётка 2 × 2 из микроволноводов изготавливалась методом фотолитографии и ионного травления шириной 10 μm и длиной L ≈ 100 μm. Расстояние между параллельными МКВ составляло 30 μm. Участки от узлов решетки до концов МКВ имели длину 35 μm. Для возбуждения и приема спиновых волн на концах микроволноводов расположены микрополосковые антенны шириной 5 μm и длиной ≈ 14 μm. Расстояние от середины антенны до ближайшего края микроволновода составляло ≈ 5 μm.

Однако недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления режимами работы.

Известен так же делитель мощности на спиновых волнах (см. патент РФ №2776524, МПК H01P 5/00, опубл. 21.07.2022), содержащий размещённую на подложке из галлий-гадолиниевого граната Т-образную микроволноводную структуру на основе плёнки железо-иттриевого граната, имеющую основание и плечи. На основании Т-образной микроволноводной структуры расположена антенна для возбуждения спиновых волн, а на плечах - антенны для приёма спиновых волн, источник внешнего магнитного поля. Делитель дополнительно содержит металлизированный слой, расположенный на поверхности плеч вдоль всей их длины между основанием и антеннами для приёма спиновых волн, расположенными вдоль всей поверхности плеч параллельно металлизированному слою. Расстояние между металлизированным слоем и антеннами составляет от 300 до 1000 мкм, а между металлизированным слоем и областью перехода из основания в плечи от 100 до 500 мкм. Источник магнитного поля может изменять как величину, так и полярность магнитного поля. Технический результат - возможность управления распространением магнитостатических волн между выходами в магнитной пленке с частичной металлизацией поверхности с помощью изменения величины и полярности внешнего магнитного поля.

Недостатком данного устройства является фиксированная ориентация внешнего магнитного поля относительно структуры.

Наиболее близким к заявляемому является логическое устройство на магнитостатических волнах (см. патент РФ №2786635, МПК H03K 19/16, опубл. 23.12.2022), содержащее подложку из галлий-гадолиниевого граната, решётку микроволноводов на основе пленок железо-иттриевого граната, входные и выходные микрополосковые антенны. Согласно изобретению, микроволноводы выполнены в виде удлинённых полосок равной высоты и толщины, образующих решётку горизонтальных и вертикальных слоёв, с вертикальным и горизонтальным зазорами, количество микроволноводов в каждом слое составляет по 31 штуке, при этом на подложке расположен только нижний горизонтальный слой, входные и выходные микрополосковые антенны расположены латерально, причём входные - в средней части решётки на трех центральных полосках микроволноводов, а выходные с противоположной стороны на каждой из полосок в вертикальной плоскости друг над другом, при этом входные и выходные антенны составляют в ширину 30 мкм, величина зазора между полосками в горизонтальной плоскости составляет 10 мкм, а между полосками в вертикальной плоскости - 30 мкм.

Недостатком данного устройства является многослойность структуры, которая влечет за собой сложность в наблюдении перекачки спиновой волны.

Раскрытие сущности изобретения

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание управляемого логического элемента, основанного на ансамбле латерально и вертикально расположенных микрополосок из железо-иттриевого граната с возможностью управления.

Техническим результатом является возможность управления сигналом на выходных антеннах с помощью угла отклонения внешнего магнитного поля, фазы и частоты сигнала, поступающего на входные антенны, что влечет за собой расширение функционала логических устройств на магнитостатических волнах.

Для достижения технического результата было разработано логическое устройство на основе системы ферритовых микроволноводов, содержащее двумерный массив микроволноводов на основе пленок железо-иттриевого граната, на подложке из галлий-гадолиниевого граната. Входные и выходные микрополосковые антенны, согласно изобретению, расположены на двух центральных микроволноводах. Микроволноводы выполнены в виде удлинённых полосок, образующие решётку из двух горизонтальных слоёв, каждый из которых содержит по шесть микроволноводов, которые разделены тонкой пленкой слюды (X₂Y₂³⁺[Si₄O₁₀](OH, F)₂) по оси Z. В каждом горизонтальном слое ЖИГ микроволноводы разделены зазором.

Нижние центральные микроволноводы выполнены выступающими за пределы подложки с обеих сторон не менее, чем на 1 мм. Это обеспечивает формирование максимума амплитуды на двух центральных волноводах.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 - представлена конструкция заявляемого устройства; на фиг. 2 - вид на устройство с торца в направлении оси Z; на фиг 3 - интенсивность распространяющейся спиновой волны при повороте внешнего магнитного поля на +15 градусов относительно входных микрополосковых антенн в структуре; на фиг 4 - интенсивность распространяющейся спиновой волны при повороте внешнего магнитного поля на -15 градусов относительно входной микрополосковой антенны в структуре.

Позициями на фигурах обозначено:

1 - микроволновод;

2 - подложка из пленки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ);

3 - входная микрополосковая антенна;

4 - выходная микрополосковая антенна;

5 - горизонтальный зазор по оси Y;

6 - пленка слюды;

а - толщина пленки слюды;

A₁ - A₆ номера слева направо микроволноводов нижнего слоя;

A₇ - A₁₂ номера слева направо микроволноводов верхнего слоя;

A₃ - A₄ номера центральных микроволноводов.

Осуществление изобретения

Конструкция логического устройства на основе системы ферромагнитных микроволноводов представляет собой решётку из двенадцати микроволноводов 1 из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), расположенную между двумя подложками 2 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) (фиг. 1-2). Микроволноводы 1 выполнены в виде удлинённых полосок, в длину составляющие 4000 мкм, в ширину 300 мкм и толщиной 10 мкм, образующие решётку из двух горизонтальных слоёв, каждый из которых содержит по шесть микроволноводов, расположенных с зазорами в горизонтальной и вертикальной плоскостях так, что полоски в вертикальной плоскости расположены друг над другом.

Входные антенны 3 и выходные микрополосковые антенны 4 с геометрическими размерами 50 х 10 х 300 мкм расположены на нижнем слое в начале и конце двух центральных микроволноводов A₃ -A₄. ЖИГ- микроволноводы верхнего и нижнего слоев разделены пленкой немагнитного диэлектрика 6 (например, слюды (X2Y23+[Si4O10](OH, F)2)), толщиной а = 20 мкм.

Принцип работы данного логического устройства на основе системы ферритовых микроволноводов заключается в том, что на входные микрополосковые антенны 3 подают микроволновой сигнал, частотный диапазон которого зависит от постоянного внешнего магнитного поля. Далее происходит трансформация микроволнового сигнала в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ). По мере распространения, спиновая волна будет перекачиваться во все микроволноводы в разной степени, в зависимости от угла отклонения внешнего магнитного поля. Следовательно, можно управлять режимом работы логического устройства на основе системы ферритовых микроволноводов на выходных антеннах на центральных микроволноводах на нижнем слое, с помощью отклонения внешнего магнитного поля по оси Y.

Как видно из фигур 3 и 4, представлены результаты численного моделирования процесса распространения ПМСВ в структуре при отклонении внешнего магнитного поля в двух направлениях. Было построено распределение интенсивности в 12 микроволноводах, при которых можно получить два режима пространственно-частотной селекции сигнала. В первом случае максимум сигнала приходится на центральный микроволновод A₃, а в другом случае наблюдается перекачка интенсивности в центральный микроволновод A₄ на нижнем слое структуры.

Следует отметить, что рассматриваемый класс ансамблей магнонных структур может быть использоваться для расширения функциональности устройств обработки информации, основанных на принципах магноники.

Таким образом, представленные данные подтверждают достижение технического результата, заключающегося в том, что при построении логического устройства на основе системы ферритовых микроволноводов на выходе, путём изменения взаимопозиции внешнего магнитного поля и структуры, можно управлять распределением спиновой волны в решетке. То есть, расширяются функциональные возможности устройства, которые позволяют использовать его также для реализации магнонных сетей, что обуславливает особенность и актуальность этого устройства.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах и может быть использовано в качестве логического устройства на основе системы ферритовых микроволноводов. Логическое устройство на основе системы ферритовых микроволноводов, содержащее двумерный массив микроволноводов на основе пленок железо-иттриевого граната, на подложке из галлий-гадолиниевого граната. Входные и выходные микрополосковые антенны, согласно изобретению, расположены на двух центральных микроволноводах. Микроволноводы выполнены в виде удлинённых полосок, образующие решётку из двух горизонтальных слоёв, каждый из которых содержит по шесть микроволноводов, которые разделены тонкой пленкой слюды (X₂Y₂³⁺[Si₄O₁₀](OH, F)₂) по оси Z. В каждом горизонтальном слое ЖИГ микроволноводы разделены зазором. Технический результат - возможность управления сигналом на выходных антеннах с помощью угла отклонения внешнего магнитного поля, фазы и частоты сигнала, поступающего на входные антенны, а также расширение функциональных возможностей логических устройств на магнитостатических волнах. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Логическое устройство, содержащее подложку из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), с расположенными на ней микроволноводами на основе пленок железоиттриевого граната, выполненных в виде удлинённых полосок равной высоты и толщины, образующих решётку горизонтальных и вертикальных слоёв, расположенных с зазорами в горизонтальной и вертикальной плоскостях так, что полоски в вертикальной плоскости расположены друг над другом, источник магнитного поля, отличающееся тем, что дополнительно содержит вторую подложку из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) на верхнем слое микроволноводов, причем решётка состоит из двух горизонтальных слоёв, каждый из которых содержит по шесть микроволноводов, при этом микроволноводы в горизонтальных слоях разделены пленкой немагнитного диэлектрика, причем входные и выходные микрополосковые антенны расположены в начале и конце двух нижних центральных микроволноводов.

2. Логическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что нижние центральные микроволноводы выполнены выступающими за пределы подложки с обеих сторон не менее, чем на 1 мм.