Введение к работе
Актуальность темы. 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 идр. [1].
В последнее десятилетие наблюдается возрастание интереса к исследованию нелинейных свойств спиновых волн, распространяющихся в ферромагнитных пленках, а также к созданию нелинейных спин-волновых устройств [2]. Были исследованы такие нелинейные явления, как модуляционная неустойчивость [3], солигоны 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 изучены разнообразные нелинейные спин-волновые приборы, такие, как шумоподавите-ли, 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 диссертационного исследования являются:
Исследование нелинейного затухания интенсивных спиновых волн различных типов, распространяющихся в пленках железо-иттриевого граната.
Разработка методов расчета нелинейного фазового набега интенсивных спиновых волн.
РОС. НАЦНОНЛЛЬНМЇІ ВИ W1 ПОТЕКА I
Экспериментальное исследование нелинейного фазового набега интенсив-ньж спиновьж волн в пленках ЖИГ на макетах нелинейньж спин-волновьж фазовращателей.
Разработка теоретической модели и методов расчета характеристик нелинейного СВЧ интерферометра, в состав которого входят нелинейные спин-волновые фазовращатели.
Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейного спин-волнового интерферометра.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Исследовано нелинейное затухание СВ и разработаны методы расчета нелинейного фазового набега интенсивных СВ.
Исследовано влияние нелинейного затухания и нелинейного фазового набега СВ на передаточные, амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазоча-сготные характеристики (ФЧХ) спин-волновьж фазовращателей.
Разработана модель нелинейного спин-волнового СВЧ интерферометра, а также методика инженерного расчета его основньж рабочих характеристик. Выполнен расчет АЧХ, ФЧХ и передаточных характеристик интерферометра. Исследовано влияние параметров конструкции интерферометра на его характеристики.
Экспериментально исследованы характеристики нелинейного интерферометра при непрерывньж и импульсньж входньж сигналах. Показано, что явление возникновения нелинейного изменения фазового набега спиновьж волн при увеличении их амплитуды позволяет реализовать амплитудно-селективное подавление импульсньж СВЧ сигналов в нелинейном интерферометре.
Новые научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать научные положения, выносимые на защиту:
При увеличении плотности мощности спиновьж волн, распространяющихся в тонких пленках железо-иттриевого граната, до значений порядка 0,1 Вт/мм2 возникает нелинейное затухание спиновьж волн, величина которого зависит от уровня мощности.
Решение граничной задачи для пленок железо-итгриевого 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.
В нормально намагниченных пленках железо-итгриевого граната нелинейный поворот фазы спиновьж волн на 180 градусов достигается ниже порога модуляционной неустойчивости на длинах распространения, измеряемых миллиметрами.
Использование нелинейного фазового сдвига в нелинейньж спин-волновьж СВЧ интерферометрах позволяет подавлять не только непрерывные, но и импульсные СВЧ сигналы. При этом для эффективного подавления необходимо, чтобы ширина основного лепестка частотного спектра входньж сигналов была
меньше, чем разность частот между соседними максимумами амплитудно-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, распро
страняющихся в ферромагнитных пленках. Полученные результаты можно ис
пользовать при разработке спин-волновьж приборов, работающих при высоких
уровнях СВЧ сигнала.
Создан пакет программ, позволяющий рассчитывать эволюцию амплитуды и фазы интенсивных спиновых волн с учетом их нелинейного затухания в спин-волновьж СВЧ приборах типа фазовращателей и линий задержки.
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.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представ
лены и обсуждались на ряде конференций и семинаров различного уровня, в ча
стности, International Magnetic Conference "INTERMAG" (Amsterdam, 2002 и
Boston, 2003), Annual Conference on Magnetism&Magnetic Materials (Florida,
2004), на "Второй объединенной конференции по магнитоэлектронике" (Екате
ринбург, 2000), на конференции "Новые магнитные материалы микроэлектрони
ки" (Москва, 2000), на конференциях "International Student Seminar on Microwave
Applications ofNovel 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 и2004)идр.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, втом числе - 3 статьи в научных журналах и тезисы к восьми докладам на международных и российских научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. 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 содержит 60 рисунков и одну таблицу.
