CC BY
21Ферромагнетики в технике СВЧ
УДК 537.611.2
А. Б. Устинов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
a
Экспериментальное исследование амплитудно-частотной характеристики нелинейного интерферометра на прямых объемных спиновых волнах*
Экспериментально исследована амплитудно-частотная характеристика нелинейного сверхвысокочастотного интерферометра на прямых объемных спиновых волнах, содержащего в одном плече нелинейный спин-волновой фазовращатель с нормально намагниченной пленкой железо-иттриевого граната толщиной 5.7 мкм, а в другом - переменный аттенюатор. Установлено, что динамический диапазон интерферометра ограничен сверху мощностью, при которой возникают нелинейные искажения формы непрерывного входного сверхвысокочастотного сигнала. В пределах динамического диапазона увеличение мощности входного сигнала приводит к смещению амплитудно-частотной характеристики нелинейного интерферометра, имеющей вид чередующихся максимумов и минимумов, вверх по частоте, причем минимумы занимают частотные положения максимумов при мощностях около 6 дБм.
Спиновые волны, интерферометры, фазовращатели, ферромагнитные пленки
Устройства обработки сигналов, в основе работы которых лежит явление интерференции волн, получили достаточно широкое распространение в интегральной оптике. Одним из таких устройств является интерферометр Маха-Цендера [1], [2]. Он имеет конструкцию в виде мостовой схемы, состоящей из двух плеч. Одно плечо или оба плеча интерферометра содержат элементы, управляющие фазовыми набегами сигналов. Если характеристики этих элементов не зависят от величины обрабатываемого сигнала, а фазовый набег изменяется только за счет приложения внешнего воздействия к элементу, то такой интерферометр называют линейным. Если же фазовый набег сигнала изменяется при изменении его величины без приложения внешнего управляющего воздействия к элементу, то такой интерферометр нелинеен.
Сравнительно недавно было показано, что устройства, подобные оптическому интерферометру Маха-Цендера, можно создать и в сверхвысокочастотной (СВЧ) технике.
* Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 02-02-16485), Министерства образования Российской Федерации (проект 1292), Международного научно-технического центра (проект 2616), научной программы "Университеты России" (проект УР.01.01.360), Metamorphose Network of Excellence project (The 6-th Framework Programme). 24 © А. Б. Устинов, 2005
Так, линейный СВЧ-интерферометр на магнитостатических спиновых волнах был описан в работе [3]. На его основе была сконструирована бистабильная система, которая могла находиться в одном из двух устойчивых состояний, отличающихся уровнем поглощенной мощности. Еще одна конструкция линейного интерферометра была описана в работе [4]. Интерферометр был использован в качестве устройства для экспериментального определения дисперсии спиновых волн, распространяющихся в ферромагнитных пленках.
Возможность создания нелинейных СВЧ-интерферометров на спиновых волнах впервые была показана в работе [5]. В ней же исследована передаточная характеристика нелинейного интерферометра при непрерывном входном СВЧ-сигнале, а также показана возможность подавления этого сигнала, исследованная в работе [6]. Возможность использования нелинейного интерферометра для амплитудно-селективного подавления СВЧ-импуль-сов различного уровня мощности была продемонстрирована в работе [7].
Принцип действия нелинейного интерферометра (рис. 1) основан на явлениях интерференции и нелинейного сдвига волновых чисел интенсивных спиновых волн. Последнее явление возникает при увеличении мощности, подаваемой на пленочный спин-волновой фазовращатель, который находится в одном из плеч интерферометра, и вызывает изменение фазового набега сигнала в соответствующем плече. Такое изменение приводит к зависимости разности фаз интерферирующих сигналов от мощности входного сигнала нелинейного интерферометра. Вместе с тем известно, что при увеличении уровня мощности может возникать модуляционная неустойчивость спиновых волн [8], что приводит к нежелательному искажению формы огибающей СВЧ-сигнала на выходе интерферометра. Так, например при непрерывном входном сигнале постоянной амплитуды выходной сигнал может оказаться амплитудно-модулированным. Таким образом, возникновение модуляционной неустойчивости спиновых волн может ограничивать сверху динамический диапазон нелинейного интерферометра и, тем самым мешать достижению необходимых изменений фазовых набегов сигналов в нелинейном фазовращателе.
В настоящей статье представлены результаты экспериментального исследования амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) нелинейного СВЧ-интерферометра, в одном плече которого находился нелинейный спин-волновой фазовращатель, изготовленный на основе нормально намагниченной ферромагнитной пленки, а в другом - переменный аттенюатор.
Экспериментальные исследования были проведены на макете нелинейного интерферометра, схема которого представлена на рис. 1. Макет состоял из делителя мощности, нелинейного фазовращателя 1, переменного аттенюатора 2 и сумматора. Нелинейный фазовращатель был изготовлен на основе монокристаллической пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) 3 толщиной 5.7 мкм, эпитаксиально выращенной на подложке гадолиний-галлиевого граната толшиной 500 мкм. Намагничен-
ность насыщения пленки ЖИГ составляла 1750 Гс. Для возбуждения в пленке спиновых волн, а также для их приема, использовались микрополосковые антенны 4 шириной 50 мкм и длиной 2 мм, один конец ко-
Рис. 1
торых был заземлен. Расстояние между антеннами составляло 6 мм. Подвод СВЧ-мощности к антенне, возбуждавшей спиновые волны в пленке, а также отвод СВЧ-мощности от антенны, принимавшей СВЧ-сигнал, который переносила спиновая волна, осуществлялся микрополос-ковыми линиями передачи 5 с волновым сопротивлением 50 Ом. Описанная микрополоско-вая структура была сформирована на подложке из поликора толшиной 500 мкм. Пленка ЖИГ располагалась на антеннах спиновых волн, находясь в непосредственном контакте с ними. Фазовращатель был помещен между полюсами электромагнита в однородном магнитном поле напряженностью 2998 Э направленном по нормали к плоскости пленки. При такой ориентации поля в пленке распространялись прямые объемные спиновые волны, которые обладают наибольшей чувствительностью их фазового набега к величине мощности по сравнению с обратными объемными и поверхностными спиновыми волнами. С помощью переменного аттенюатора 2 изменялась разница мощностей интерферирующих сигналов.
Наблюдаемая АЧХ нелинейного интерферометра (рис. 2) имела вид последовательно чередующихся максимумов и минимумов. Такой вид АЧХ объясняется следующим образом. Фазовый набег СВЧ-сигнала в плече с фазовращателем определяется в основном фазовым набегом спиновых волн в пленке ЖИГ и поэтому зависит от частоты. Частотной зависимостью фазового набега СВЧ-сигнала в плече с переменным аттенюатором можно пренебречь. Таким образом, при изменении частоты изменяется разность фаз Дф интерферирующих сигналов. Минимумы АЧХ наблюдаются на тех частотах, на которых сигналы складываются синфазно, т. е. при Дф = 2пп, п = 0, 1, 2, ____Максимумы АЧХ наблюдаются
на частотах, на которых сигналы складываются противофазно, т. е. при Дф = (2п +1) п.
Измерения АЧХ нелинейного интерферометра проводились при увеличении уровня мощности входного СВЧ-сигнала до тех пор, пока не возникала модуляционная неустойчивость спиновых волн. Исследования показали, что при мощностях входного сигнала, лежащих в пределах -10...-2 дБм, АЧХ нелинейного интерферометра сохраняла неизменный вид. Дальнейшее увеличение мощности входного сигнала приводило к смещению АЧХ нелинейного интерферометра в сторону возрастания частот. При достижении входной мощности около +6 дБм минимумы АЧХ интерферометра смещались так, что занимали частотные положения максимумов, наблюдавшихся при низком уровне мощности, что соответствовало изменению разности фаз интерферирующих сигналов на 180°. Модуляционная неустойчивость спиновых волн возникала при входной мощности +8 дБм, которая ограничивала сверху динамический диапазон интерферометра.
На рис. 3 приведены фрагменты АЧХ фазовращателя, находившегося в плече интерферометра (а), а также фрагменты АЧХ нелинейного интерферометра, измеренные при уровнях мощности -5 дБм (б), +5 дБм (в) и +6 дБм (г). Как видно из приведенных характеристик, не-26
SJ--4.M ЭОС1т
fiWP
Рис. 2
постоянство ослабления сигнала в фазовращателе приводило к различной глубине провалов на АЧХ интерферометра. При увеличении мощности глубины провалов на АЧХ интерферометра изменялись, что связано с возникновением нелинейного затухания спиновых волн в пленке ЖИГ [9], увеличивающем ослабление СВЧ-сигнала в нелинейном фазовращателе.
Смещение АЧХ нелинейного интерферометра при увеличении входной мощности объясняется тем, что увеличение амплитуды спиновых волн приводит к уменьшению постоянной составляющей намагниченности ферромагнитной
пленки, и, следовательно, к нелинейному 3 48 3 495 3 51
сдвигу волновых чисел этих волн. Поэтому при увеличении мощности входного сигнала интерферометра частоты, на которых происходит синфазное и протифаз-ное сложение СВЧ-сигналов, прошедших разные плечи, смещаются. Следовательно, АЧХ нелинейного интерферометра тоже смещается.
Проведенное исследование показало, что смещение АЧХ нелинейного интерферометра, при котором минимумы занимают частотные положения максимумов, происходит при мощности, лежащей ниже порога возникновения модуляционной неустойчивости спиновых волн. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при работе нелинейного интерферометра в режиме подавления непрерывных или импульсных СВЧ-сигналов не происходит нежелательных нелинейных искажений их формы.
A, дБ -30 -40 -20
-40
-60 -20
-40
-60 -20 -35 -50
f ГГц
г
Рис. 3
Библиографический список
1. Семенов А. С., Смирнов В. Л., Шмалько А. В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. М.: Радио и связь, 1990. 224 с.
2. Agrawal G. P. Nonlinear fiber optics. San Diego: Academic Press, 1995. 592 p.
3. Fetisov Y. K., Patton C. E. Microwave bistability and multistability in a magnetostatic wave interferometer with external feedback // IEEE Trans. on Magnetics. 1999. Vol. M-35. № 2. P. 1024-1036.
4. Огрин Ю. Ф., Луговской А. В., Темирязев А. Г. Интерферометр на поверхностных спиновых волнах // Радиотехника и электроника. 1983. Т. 28, № 8. С. 1664-1666.
5. Устинов А. Б., Калиникос Б. А. Нелинейный спин-волновой сверхвысокочастотный интерферометр // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27. Вып. 10. С. 20-25.
6. Устинов А. Б., Калиникос Б. А. Подавление импульсных сверхвысокочастотных сигналов в нелинейном спин-волновом интерферометре // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29. Вып. 14. С. 66-73.
7. Ustinov A. B. Power-selective suppression of microwave pulses in nonlinear spin wave interferometer // 2003 IEEE INTERMAG Conf. Boston, MA, Marth, 30 - April, 3 2003. Abstr. P. HD-10.
8. Калиникос Б. А., Ковшиков Н. Г., Славин А. Н. Солитоны огибающей и модуляционная неустойчивость дипольно-обменных волн намагниченности в пленках железоиттриевого граната // ЖЭТФ. 1988. Т. 94. Вып. 2. С. 159-176.
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 1======================================
9. Nonlinear damping of magnetostatic spin waves in yttrium iron garnet films / M. M. Scott, C. E. Patton, M.
P. Kostylev, B. A. Kalinikos // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 95, № 11. P. 6294-6301.
A. B. Ustinov
Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Experimental Investigation of Frequency-Response Characteristic of Nonlinear Interferometer
on Forward Volume Spin Waves
Frequency-response characteristic of the nonlinear interferometer on forward volume spin waves contained the nonlinear phase shifter based on perpendicular magnetized 5. 7-thick yttrium-iron garnet film in the first arm and the variable attenuator in the second arm have been investigated. A distance between antennas was equal to 6 mm. It was obtained that the dynamic range of the interferometer is limited from the top by power of 8 dBm. Within the dynamic range the power increasing leads to a shift of the frequency-response characteristic toward the higher frequency. The minima of the characteristic obtained at the input power of 6 dBm were shifted so that they were observed at the frequencies corresponded to the maxima of the characteristic measured at low input power.
Spin waves, interferometer, phase shifter, ferromagnetic films
Статья поступила в редакцию 20 января 2005 г.
