Логическое устройство на магнитостатических волнах

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей логических устройств на основе магнитостатических волн при использовании в магнонных и нейроморфных сетях за счёт изменения фронта распространения спиновой волны путём изменения отклонения внешнего магнитного поля. Для достижения технического результата в логическом устройстве на магнитостатических волнах, содержащем подложку из галлий-гадолиниевого граната, решётку микроволноводов на основе пленок железоиттриевого граната, входные и выходные микрополосковые антенны, микроволноводы, выполненные в виде удлинённых полосок, образующих решётку слоёв, расположенных с зазорами в горизонтальной и вертикальной плоскостях так, что полоски в вертикальной плоскости расположены друг над другом, количество микроволноводов в каждом горизонтальном и вертикальном слоях составляет по 31 штуке, при этом на подложке расположен только нижний горизонтальный слой, входные и выходные микрополосковые антенны расположены латерально, причём входные - на трех центральных полосках микроволноводов, а выходные с противоположной стороны на каждой из полосок в вертикальной плоскости друг над другом. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использовано в качестве логического устройства на основе плёнок ферромагнитных металлов.

Известен оптический волновод (см. патент Японии № JP4491188 по кл. МПК G02B6/12, опуб. 30.06.2010), содержащий подложку с множеством канавок, сформированных на ее поверхности, и оптический волновод на фотонном кристалле с решетчатой модуляцией, изготовленный с помощью методов самоклонирования, в которых диэлектрик с низким показателем преломления и высокий индексные диэлектрики поочередно уложены на подложку; множество решетчато-модулированных фотонно-кристаллических оптических волноводов сформированы параллельно друг другу в плоскости, параллельной поверхности подложки; и плотно сформированы таким образом, что электрическое поле света связано между множеством решетчато-модулированных фотонно-кристаллических оптических волноводов, при этом множество решеточно-модулированных фотонно-кристаллических оптических волноводов имеют волнообразную периодическую структуру в продольном направлении.

Однако недостатком этого устройства является невозможность получения результатов с каждой канавки.

Известен также логический элемент инвертор-повторитель на магнитостатических волнах (см. патент РФ № 2694020 по кл. МПК H03K19/16, опуб. 08.07.2019), содержащий три микроволновода равной ширины, два из которых размещены непосредственно на подложке параллельно друг другу, а третий микроволновод размещен параллельно и симметрично упомянутым двум микроволноводам. Микроволноводы представляют собой удлиненные полоски равной толщины из пленки железо-иттриевого граната на подложке из галлий-гадолиниевого граната. Входной, выходной и управляющий порты образованы микрополосковыми антеннами для возбуждения и приема магнитостатических волн. Входной и выходной порты расположены на концах одной из размещенных на подложке полосок, а управляющий порт - на конце полоски третьего микроволновода со стороны входного порта.

Недостатком конструкции является то, что в данном логическом элементе используется всего три микрополоски ЖИГ, а входная и выходная антенны расположены только на 1 микроволноводе. При данной конфигурации направленное распространение спиновой волны задается неявно и при этом не считывается.

Наиболее близким к заявляемому является 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 портовой 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.

Недостатком устройства является отсутствие возможности управления режимами работы.

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание управляемого логического элемента на основе решётки микроволноводов.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей логических устройств на основе магнитостатических волн при использовании в магнонных и нейроморфных сетях за счёт изменения фронта распространения спиновой волны путём изменения отклонения внешнего магнитного поля.

Для достижения технического результата в логическом устройстве на магнитостатических волнах, содержащем 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, расположенных с зазорами в горизонтальной и вертикальной плоскостях так, что полоски в вертикальной плоскости расположены друг над другом, количество микроволноводов в каждом горизонтальном и вертикальном слоях 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.

Намагниченность насыщения пленок железо-иттриевого граната составляет М=139 Гс, а их толщина составляет 10 мкм.

Изобретение поясняется иллюстрациями, где представлено:

на фиг.1 – конструкция устройства;

на фиг.2 – входная антенна при численном моделировании;

на фиг. 3 – результат численного моделирования измерения интенсивности спиновой волны, распространяющейся в исследуемой структуре при угле отклонения внешнего магнитного поля 0 градусов: карта распределения намагниченности в структуре при ориентации внешнего магнитного поля перпендикулярно структуре;

на фиг.4 – результат численного моделирования измерения интенсивности спиновой волны, распространяющейся в исследуемой структуре при угле отклонения внешнего магнитного поля 15 градусов: направленный пучок распространения спиновой волны при влиянии отклоненного внешнего магнитного поля.

Позициями на чертеже обозначены:

1 – решетка из микроволноводов, 2 – подложка из галлий-гадолиниевого граната; 3 – входные антенны, 4 – выходные антенны, 5 – зазоры в горизонтальной плоскости, 6 – зазоры в вертикальной плоскости, – направление управляющего внешнего магнитного поля.

Логическое устройство (см. фиг. 1) представляет собой структуру в виде решётки микроволноводов 1 из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ), расположенную на подложке 2 из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ). Микроволноводы 1 выполнены 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.

Количество микроволноводов в каждом горизонтальном и вертикальном слоях составляет по 31 штуке, образуя решётку из 961 слоя, при этом на подложке 2 расположен первый горизонтальный слой.

Входные антенны 3 расположены в средней части решётки на трех центральных полосках микроволноводов 1, а выходные антенны 4 - с противоположной стороны на каждой из полосок в вертикальной плоскости друг над другом, при этом входные и выходные антенны составляют в ширину 30 мкм. Входные и выходные антенны имеют размеры 30 х 10 х 300 мкм.

Величина зазора 5 между полосками в горизонтальной плоскости составляет 10 мкм, а зазора 6 между полосками в вертикальной плоскости – 30 мкм.

Каждый из микроволноводов представляет собой пленку ЖИГ 6000 мкм в длину, 300 мкм в ширину и высотой 10 мкм.

Принцип работы данного логического устройства на магнитостатических волнах заключается в том, что входной микроволновый сигнал, частота которого должна лежать в диапазоне частот, определяемым величиной внешнего постоянного магнитного поля, подается на входную антенну 3. Далее микроволновый сигнал преобразуется в поверхностную магнитостатическую волну (ПМСВ). По мере распространения ПМСВ будет перекачиваться по всем микроволноводам, в ходе явления перекачки сигнала по разным направлениям, и в зависимости от выбранных параметров. Следовательно, можно управлять режимом работы данного логического устройства, меняя направление внешнего магнитного поля.

На фиг. 3 и 4 изображены результаты измерения интенсивности спиновой волны, распространяющейся при линейном источнике и изменении угла внешнего магнитного поля в исследуемой структуре. Вследствие изменения угла отклонения внешнего магнитного поля наблюдается пучок переноса сигнала распространения спиновой волны. Явление формирования перестраиваемого спин-волнового пучка в трехмерной магнонной структуре позволяет получить глубокое понимание физики латерального и вертикального переноса спиновых волн в массиве микроразмерных структур. Следует отметить, что рассматриваемый класс ансамблей магнонных структур может 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 магнитостатических волнах на выходе путём изменения отклонения внешнего магнитного поля можно менять фронт распространения спиновой волны. То есть, расширяются функциональные возможности устройства, которые позволяют использовать его также для реализации магнонных и нейроморфных сетей, что обуславливает особенность и актуальность этого устройства.

1. Логическое устройство на магнитостатических волнах, содержащее подложку из галлий-гадолиниевого граната, решётку микроволноводов на основе пленок железоиттриевого граната, входные и выходные микрополосковые антенны, отличающееся тем, что микроволноводы выполнены 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, количество микроволноводов в каждом горизонтальном и вертикальном слоях 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.

2. Логическое устройство по п.1, отличающееся тем, что намагниченность насыщения пленок железоиттриевого граната составляет М=139 Гс, а их толщина составляет 10 мкм.