Введение к работе
Актуальность темы. Успехи, достигнутые на рубеже 70-х годов в технологии выращивания монокристаллических пленок железо-иттриевого граната (КИП с малыми магнитными потерями, а позднее - ряда пленок с различное величиной намагниченности насыщения, породили значительный интерес к сверхвысокочастотным спин-волновым процессам, на основе которых возможно создание различных устройств обработки сигналов. В настоящее время исследования вступили в фазу практической реализации устройств с требуемыми характеристиками. Достигнутые на сегодняшний день результаты позволяют сделать вывод о том, что сформировалось новое направление сверхвысокочастотной электроники - спин-волновая электроника (СВЭ).
Основными физическими процессами, лежащими в основе функционирования устройств СВЭ, являются возбуждение и распространение спиновых волн (СВ). В последние годы процессы возбуждения и распространения СВ находятся в стадии интенсивного исследования. Наиболее строгое описание волновых процессов в тонких "ферромагнитных пленках дает теория, учитывающая наряду с циполь-дипольным и неоднородное обменное взаимодействие, а также особенности состояния спинов на поверхностях пленки (обменные граничные условия). Основные результаты дипольно-обменной теории спектра и возбуждения спиновых волн получены в предположении значительного превышения ширины волноведущей структуры над длиной спиновой волны (см., например, [I]). Однако во многих устройствах для канализации спиновых в^лн используются ограниченные по ширине волноведущие структуры, называемые обычно волноводами. Волноводы к настоящему времени исследованы слабо. Известно только несколько работ, посвященных расчету спектра СВ в ограниченных по ширине волноведут.их структурах (волноводах СВ) для конкретных ориентации подмагничивающего поля.
В ряде работ (см., например,[2D рассматривалось влияние дифракционных эффектов на возбуждение и распространение СВ в широких ферромагнитных пленках. Однако случай произвольной ориентации подмагничивания практически не исследован. Цельи диссертационной работы является построение теории
спектра и возбуждения ципольно-обменных спиновых волн в волноводах СВ (ВОВ), а также исследование дифракционных эффектов при возбуждении и распространении спиновых волн в широких ферромагнитных пленках.
В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационного исследования являются:
1. Теоретическое и экспериментальное исследование дисперсии ципольно-обменных спиновых волн в пленочных волноводах.
'I. Теоретическое и экспериментальное исследование возбуждения пленочных волноводов спиновых волн, намагниченных под произвольным углом к поверхности.
л. Теоретическое и экспериментальное исследование дифракционных эффектов в широких пленках, намагниченных под произвольным углом к поверхности.
4. Исследование возможности реализации многоканального фильтра на основе анизотропных свойств поверхностных спиновых волн, а также устройств с широкой перестройкой по частоте на основе пленочных волноводов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Рассмотрена дифракция спиновых волн в широких ферро
магнитных пленках, намагниченных под произвольным углом
к поверхности. Предложена простая форма записи функции Грина точечного источника в анизотропной среде, достаточно точно описывающая угловое распределение дифракционного поля в дальней зоне.
-
Построена теория возбуждения волновода спиновых волн, однородно намагниченного под произвольным углом к поверхности.
-
Рассчитано погонное сопротивление излучения для микрополоскового преобразователя, возбуждающего волновод спиновых волн, намагниченных под произвольным углом к поверхности.
-
Экспериментально исследованы дисперсионные характеристики спиновых волн в широкой ферромагнитной пленке для случаев несовпадения направленим фазовой и групповой скоростей.
6. Теоретически и экспериментально исследована фокусировка СВ в касательно намагниченной пленке.
6. Исследованы диаграммы направленности преобразователей, возбуждающих СВ в широких пленках при произвольном направлении подмагничивания.
Наиболее существенными для практического использования являются следующие результаты:
-
Предложена простая форма записи функции Грина точечного источника СВ, с хорошей точностью описывающая угловое распределение дифракционного поля в дальней зоне и значительно упрощающая расчет диаграмм направленности.
-
Разработана методика исключения дифракционных потерь при локальном контроле качества ферритовых пленок.
-
Разработана методика многоканальной фильтрации, основанная на анизотропных свойствах поверхностных спиновых волн в касательно намагниченной пленке.
-
Теоретически и экспериментально исследованы диаграммы направленности микрополосковых преобразователей, возбуждающих спиновые волны в пленках, намагниченных под произвольным углом к поверхности. Обнаружена область углов подмагничивания, в которой происхоцит значительное подавление дифракционной расходимости спиновых волн даже в том случае, когда длина преобразователей сравнима с длиной СВ.
-
Получено простое приближенное, но достаточно точное дисперсионное уравнение, описывающее спектр СВ в волноводе, намагниченном под произвольным углом к поверхности.
-
Получены выражения для погонного сопротивления излучения преобразователя, возбуждающего волновоц СВ, намагниченный поц произвольным углом к поверхности. Преобразователь может быть нагружен на произвольную комплексную нагрузку.
-
Разработаны и реализованы базовые конструкции генераторов и фильтров на СВ с широкой перестройкой.
Научные положения, выносимые на защиту.
I. Угловое распределение A («О дифракционного поля спино
вой волны при касательном поимагничивании в дальней зоне,
создаваемое точечным источником тока, ориентированным парал
лельно внутреннему постоянному магнитному полю, описывается
соотношением
-A^^coijb.e '
где лЧ1 - приращение угла направления вектора фазовой скорости; &оС- соответствующее ему приращение угла направления
вектора групповой скорости; Р> - угол межцу направлениями векторов фазовой и групповой скорости; d - величина диэлектрического зазора между источником и пленкой. <і. В случае ферромагнитной пленки, намагниченной под произвольным углом к поверхности, существует область углов подмагничивания (В~80), в которой происходит значительное подавление дифракционной расходимости монохроматической СВ даже при малой апертуре возбуждающего преобразователя. Названный эффект связан с тем, что в этой области углов под-магничивания слаба зависимость ориентации вектора групповой скорости от ориентации вектора фазовой скорости возбуждаемых СВ.
-
Спектр касательно и продольно намагниченного пленочного волновода вблизи нижней границы существования поверхностных СВ fi имеет "щель", делящую спектр на зоны, располагающиеся выше и ниже fj. . Наличие "щели" объясняется гибридизацией дисперсионных ветвей низшей волноводной моды с модами высших "толщинных" типов.
-
Использование косо намагниченных пленочных волноводов в спин-волновых приборах, например в линиях задержки, позволяет получать гладкие АЧХ, несмотря на многомодовость спектра волн волноводов. Это связано с близостью групповых скоростей волноводных типов волн в таких волноводах. Близость групповых скоростей приводит к тому, что относительный фазовый сдвиг между модами слабо изменяется во всей рабочей полосе частот, что, в свою очередь, приводит к отсутствию пульсации на АЧХ устройства.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования были представлены на:
Всесоюзной школе-семинаре "Спин-волновая электроника СВЧ" (г. Ашхабад, 1985 г.).
Всесоюзном семинаре "Устройства функциональной СВЧ электроники" (г. Киев, 1987 г.).
ІіоНі нции "Расчет, конструирование и технология изделий электронной техники для измерительных систем" (г. Саратов, І989 г.).
Международной конференции ' ' L>" lul гч-гс±..<. ! ;.л.,..-1-01,00 он i.acro,.avo JYa-ritos IMS" bC" (^, и Ur^oiwiuu,; iry, 1 98.".) .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 71 наименование.
