Исследование интенсивных спиновых волн в ферромагнитных пленках и нелинейного СВЧ интерферометра на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Устинов Алексей Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ И НЕЛИНЕЙНОГО СВЧ ИНТЕРФЕРОМЕТРА НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность: 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор физико-математических наук, профессор Калиникос БА

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Вендик И.Б., доктор физико-математических наук, профессор Фетисов Ю.К.

Ведущая организация - ОАО НИИ "Феррит-Домен"

Защита диссертации состоится '¿У 2004 г. в {51 на

заседании диссертационного совета Д 212.238.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Смирнов ЕА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 и др. [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], солитоны 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:

1. Исследование нелинейного затухания интенсивных спиновых волн различных типов, распространяющихся в пленках железо-иттриевого граната.

2. Разработка методов расчета нелинейного фазового набега интенсивных спиновых волн.

РОС. ----

I

1

3. Экспериментальное исследование нелинейного фазового набега интенсивных спиновых волн в пленках ЖИГ на макетах нелинейных спин-волновых фазовращателей.

4. Разработка теоретической модели и методов расчета характеристик нелинейного СВЧ интерферометра, в состав которого входят нелинейные спин-волновые фазовращатели.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейного спин-волнового интерферометра.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано нелинейное затухание СВ и разработаны методы расчета нелинейного фазового набега интенсивных СВ.

2. Исследовано влияние нелинейного затухания и нелинейного фазового набега СВ на передаточные, амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазоча-стотные характеристики (ФЧХ) спин-волновых фазовращателей.

3. Разработана модель нелинейного спин-волнового СВЧ интерферометра, а также методика инженерного расчета его основных рабочих характеристик. Выполнен расчет АЧХ, ФЧХ и передаточных характеристик интерферометра. Исследовано влияние параметров конструкции интерферометра на его характеристики.

4. Экспериментально исследованы характеристики нелинейного интерферометра при непрерывных и импульсных входных сигналах. Показано, что явление возникновения нелинейного изменения фазового набега спиновых волн при увеличении их амплитуды позволяет реализовать амплитудно-селективное подавление импульсных СВЧ сигналов в нелинейном интерферометре.

Новые научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать научные положения, выносимые на защиту:

1. При увеличении плотности мощности спиновых волн, распространяющихся в тонких пленках железо-итгриевого граната, до значений порядка 0,1 Вт/мм2 возникает нелинейное затухание спиновых волн, величина которого зависит от уровня мощности.

2. 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.

3. В нормально намагниченных пленках железо-итгриевого граната нелинейный поворот фазы спиновых волн на 180 градусов достигается ниже порога модуляционной неустойчивости на длинах распространения, измеряемых миллиметрами.

4. Использование нелинейного фазового сдвига в нелинейных спин-волновых СВЧ интерферометрах позволяет подавлять не только непрерывные, но и импульсные СВЧ сигналы. При этом для эффективного подавления необходимо, чтобы ширина основного лепестка частотного спектра входных 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, распространяющихся в ферромагнитных пленках. Полученные результаты можно использовать при разработке спин-волновых приборов, работающих при высоких уровнях СВЧ сигнала.

2. Создан пакет программ, позволяющий рассчитывать эволюцию амплитуды и фазы интенсивных спиновых волн с учетом их нелинейного затухания в спин-волновых СВЧ приборах типа фазовращателей и линий задержки.

3. 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 представлены и обсуждались на ряде конференций и семинаров различного уровня, в частности, International Magnetic Conference "INTERMAG" (Amsterdam, 2002 и Boston, 2003), Annual Conference on Magnetism&Magnetic Materials (Florida, 2004), на "Второй объединенной конференции по магнитоэлектронике" (Екатеринбург, 2000), на конференции "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 2000), на конференциях "International Student Seminar on Microwave Applications of Novel 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 и 2004) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также научные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 «Спиновые волны в ферромагнитных пленках и фазовращатели на их основе (обзор)» посвящена обзору литературы по теме работы.

В первом параграфе данной главы кратко рассмотрены два основных метода решения граничной задачи на собственные волны в ферромагнитной пленке:

метод магнитостатического потенциала и метод тензорных функций Грина. Приведены приближенные дисперсионные уравнения, удобные для теоретического анализа и для расчетов на ЭВМ.

Во втором параграфе описаны способы учета релаксации колебаний намагниченности, а также затухания спиновых волн, распространяющихся в ферромагнитных пленочных образцах. Приведен подробный вывод формул для расчета затухания линейных спиновых волн в пленках.

В третьем параграфе кратко описаны трехволновые и четырехволновые параметрические процессы взаимодействия волн, которые лежат в основе нелинейных спин-волновых явлений.

Четвертый параграф посвящен описанию явления нелинейного сдвига волновых чисел спиновых волн. Подробно рассмотрен способ учета зависимости спектра собственных частот интенсивных спиновых волн от их амплитуды.

В пятом параграфе рассматривается «метод огибающих», который применяется для теоретического описания слабонелинейных волн. В рамках данного метода приведен подробный вывод нелинейного уравнения Шредингера (НУШ), описывающего эволюцию огибающей нелинейных спиновых волн, распространяющихся в ферромагнитных пленках. Уравнение имеет вид

ди ди .Бд2и ..., ,2 Л

— + У.--1--- + ЛЫ а = 0, (1)

Ы г дг 2 &2 11

где и - медленно меняющаяся пространственная огибающая волны,

да _ д2а

групповая скорость СВ, = ^ ^ -нелинейный коэффициент;—-—дис-

персионный коэффициент. Далее в параграфе приведены формулы для расчета перечисленных коэффициентов для волн трех основных типов: "прямых объемных СВ", "обратных объемных СВ" и "поверхностных СВ".

Шестой параграф посвящен описанию спин-волновых фазовращателей. В этом же параграфе дан обзор перспективных направлений разработки спин-волновых устройств на примере интегральной оптики. В частности, показано, что интегрально-оптические интерферометры Маха-Цендера находят широкое применение для обработки оптических сигналов. Так, например, на основе интерферометра Маха-Цендера создаются переключатели каналов, мультиплексоры и демультиплексоры для оптических систем передачи и обработки информации [6]. Подобные приборы могут быть реализованы в СВЧ диапазоне на основе спиновых волн.

В седьмом параграфе рассмотрены методы расчета амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик спин-волновых фазовращателей, которые работают в линейном режиме.

Как следует из литературного обзора, к моменту начала работы над диссертацией существовали теории, позволяющие рассчитывать спектры линейных и нелинейных спиновых волн, затухание линейных спиновых волн, а также АЧХ и ФЧХ линейных спин-волновых приборов. Вместе с тем, теории, описывающая

затухание и фазовый набег нелинейных спиновых волн, а также методы расчета АЧХ и ФЧХ нелинейных спин-волновых приборов, были развиты недостаточно.

В заключение обзора литературы сформулированы основные задачи диссертационного исследования.

Глава 2 «Исследование затухания и фазового набега интенсивных спиновых волн» посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию нелинейного затухания и нелинейного фазового набега интенсивных СВ.

В первом параграфе главы в качестве теоретической модели для феноменологического описания нелинейного затухания СВ использовано нелинейное эволюционное уравнение типа НУШ

ди „ ди .Бд и , ,2 81 * & 2 дг1

(2)

Однако в отличие от стандартного НУШ для учета как линейного, так и нелинейного затухания СВ в нелинейное эволюционное уравнение были введены дополнительные слагаемые. Так, чтобы учесть нелинейное затухание было предположено, что частота релаксации зависит от амплитуды СВ. При этом частота

релаксации была записана в виде линейный

параметр диссипации, коэффициенты нелинейного затухания третьего

и пятого порядков, соответственно. Фактически такая форма записи соответствует разложению в ряд Тейлора и ограничению разложения первыми тремя членами. Полученное нелинейное эволюционное дифференциальное уравнение совпадает с известным в оптике уравнением Гинзбурга-Ландау [7]: ди ди

I „Си .и О и . ... ., 12 , .1 |4

(3)

где нелинейные коэффициенты третьей и пятой степени, соответст-

венно. В силу того, что в задачи диссертации входило исследование нелинейного затухания непрерывных сигналов или импульсных сигналов, длительность которых была много больше периода колебаний несущей волны, дисперсионным коэффициентом Б в дальнейших расчетах пренебрегали. Нелинейным коэффициентом также пренебрегали в силу его малости по сравнению с Таким образом, уравнение (3) приобретало вид

|2 | |4

ди „ ди . ¡2 | |4

Зг «& 1 1 " + и = ~1и-

(4)

В результате решения уравнения (4) были получены выражения, описывающие нелинейное затухание спиновых волн:

при V, = —. В приведенных формулах и!л - квадрат нормированной амплиту-

4 77

ды спиновой волны, возбуждаемой в точке 2=0, & и\(г) - квадрат нормированной амплитуды спиновой волны в точке с координатой z.

Во втором параграфе главы продолжено решение уравнения Гинзбурга-Ландау. В результате получено выражение для расчета нелинейного фазового набега интенсивных СВ с учетом их нелинейного затухания:

(8)

Несмотря на неявный характер полученного выражения, эта формула позволяет просто расчитывать нелинейный фазовый набег спиновых волн на ЭВМ.

В третьем параграфе проведены численные расчеты эволюции амплитуды и фазы интенсивных СВ с учетом их нелинейного затухания. В первом пункте третьего параграфа проведен анализ влияния нелинейного затухания СВ на передаточные, амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики ФВ. Анализ показал, что наличие нелинейного затухания приводит к следующим явлениям: (1) более сильному уменьшению амплитуды СВ и, следовательно, более сильному ослаблению СВЧ сигнала в нелинейном ФВ; (2) уменьшению нелинейного фазового набега интенсивных СВ; (3) насыщению амплитуды СВ на выходе нелинейного ФВ, и, следовательно, ограничению мощности его входного СВЧ сигнала. Оценка влияния величин параметров и на затухание и фазовый набег интенсивных СВ позволила сделать вывод о том, что нелинейное затухание третьего порядка начинает существенно влиять на характеристики нелинейного спин-волнового ФВ при значениях превышающих , а нелинейное затухание пятого порядка начинает существенно влиять при значениях превышающих 1012 с"1.

Во втором пункте третьего параграфа проведен анализ влияния параметров конструкции нелинейного фазовращателя на нелинейный фазовый набег СВ. Теоретически показано, что на нелинейный фазовый набег наиболее сильно влияет толщина ферромагнитной пленки, причем при ее уменьшении нелинейный фазовый набег увеличивается. Результаты анализа также позволили сделать важный вывод о влиянии величины внутреннего магнитного поля ферромагнитной пленки на величину нелинейного сдвига фазы спиновых волн. При внутренних полях, меньших 3250 Э, наибольшим нелинейным фазовым сдвигом обладают прямые объемные спиновые волны, а при внутренних полях, больших 3250 Э, наибольшим нелинейным фазовым сдвигом обладают поверхностные спиновые волны. Таким образом, наибольший нелинейный фазовый сдвиг при увеличении уровня мощности на частотах ниже 9,1 ГГц приобретают прямые объемные СВ, а на частотах выше 9,1 ГГц - поверхностные СВ. Эта закономерность может играть важную роль при выборе типа спиновой волны нелинейного фазовращателя для построения нелинейных СВЧ приборов.

В четвертом параграфе описано экспериментальное исследование нелинейного затухания спиновых волн. В первом пункте этого параграфа описываются макет измерительного устройства (которым являлся нелинейный фазовращатель), экспериментальная установка и методика измерения передаточных и амплитудно-частотных характеристик нелинейного ФВ. Макет фазовращателя имел вид обычной спин-волновой линии задержки с короткозамкнутыми микро-полосковыми антеннами спиновых волн длиной 2 мм и шириной 50 мкм, расстояние между которыми составляло 6 мм. Для измерений использовались монокристаллические пленки железо-иттриевого граната толщинами 5,7 и 9,64 мкм. Во втором пункте приведены результаты экспериментального исследования характеристик нелинейного ФВ. Результаты показали, что в области малых волновых чисел спиновые волны эффективно возбуждаются и обладают сравнительно высокой групповой скоростью. Их автомодуляция возникает при сравнительно низких значениях входных мощностей, поэтому нелинейное затухание таких волн до момента наступления автомодуляции проявляется достаточно слабо. При увеличении волнового числа эффективность возбуждения спиновых волн, а также их групповая скорость постепенно уменьшаются. Мощность, при которой возникает автомодуляция, увеличивается и начинает наблюдаться нелинейное затухание СВ. Это приводит к тому, что при сравнительно больших значениях волновых чисел наблюдается насыщение выходной мощности ФВ.

В последнем пункте четвертого параграфа проведено количественное сопоставление экспериментальных и теоретических передаточных характеристик нелинейного фазовращателя, в результате которого были вычислены коэффициенты нелинейного затухания спиновых волн V] И Результаты вычисления коэффициентов, а также параметры фазовращателя, для которых было проведено вычислениние, приведены в Таблице.

В пятом параграфе второй главы описано экспериментальное исследование нелинейного сдвига фазы интенсивных СВ. Исследование показало, что нелинейный сдвиг фазового набега интенсивных СВ более чем на 180 градусов в

нормально намагниченных пленках на длине распространения около 5 мм происходит при увеличении уровня мощности СВЧ сигнала до значений, лежащих ниже порога возникновения модуляционной неустойчивости спиновых волн.

Таблица

Ь = 5,7 мкм I = 9,64 мкм

к, 1/см ,1/нс 1/пс к, 1/см V], 1/нс у2,1/пс

99,5 0 0,75 53,0 0 1,96

123,6 0 2,27 110,3 1,47 1,48

266,4 0 0,95 187,4 1,2 3,1

Глава 3 «Теоретическое исследование нелинейного спин-волнового интерферометра» посвящена разработке методов расчета передаточных, амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик нелинейных интерферометров. Это исследование выполнено с использованием выражений, учитывающих нелинейное затухание спиновых волн, которые были получены во второй главе.

В первом параграфе главы описана теоретическая модель нелинейного спин-волнового пленочного СВЧ интерферометра. В общем случае интерферометр имеет вид двухплечевой мостовой схемы (рис. 1,а) и состоит из делителя СВЧ мощности (с произвольным коэффициентом деления), четырех переменных аттенюаторов двух нелинейных спин-волновых фазовращате-

лей НФВ1 и НФВ2 и сумматора СВЧ мощности (с коэффициентом деления 54). Сверхвысокочастотный сигнал мощности на входе интерферометра делится на два сигнала в определенной пропорции (например, поровну). Эти сигналы

(б)

Рпрош(ю)

Рис. 1.

проходят разные плечи нелинейного интерферометра, приобретают разные фазовые набеги, а затем складываются и интерферируют на выходе. Приобретаемые фазовые набеги при увеличении мощности входного сигнала изменяются, и, следовательно, изменяется разность фаз интерферирующих сигналов, которая определяет уровень выходного сигнала нелинейного интерферометра. Если нелинейный фазовращатель используется только в одном плече интерферометра, а в другом плече используется один переменный аттенюатор, то получается интерферометр упрощенного вида, схема которого показана на рис. 1,6.

Во втором параграфе получены выражения для расчета АЧХ и ФЧХ нелинейного интерферометра общего вида (рис. 1,а). Комплексный коэффициент передачи устройства записывается в виде

где Нр{со) — передаточная функция устройства по мощности (то есть квадрат АЧХ интерферометра), а /р(со) - фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами (то есть ФЧХ интерферометра). При выводе выражения для Нр(а>)

были использованы формулы для расчета ослабления сигналов в каждом из плеч интерферометра, а также формулы для интерференции двух сигналов. Полученное выражение имеет вид

н

нсви

прош тт

= ——= н

НФЗ1

- К\2\ - - 0

27/ 2И

х НФВ] • Н11ФВ2 • (1 - |Гв„1

~~ г выл 2

'под

НФВ2

(Ю)

(п)

где Рпрощ И Р„аа - :прошедшая и падающая мощности, соответственно, Нцфц и передаточные функции фазовращателей в первом и во втором плечах интерферометра, коэффициент отражения сигнала от входа интерферометра, N - величина, показывающая во сколько раз мощность, вошедшая в первое плечо интерферометра, меньше мощности, вошедшей в интерферометр,

ослабления (в децибелах) сигналов в аттенюаторах, эффициенты отражения, учитывающие отражение мощностей от сумматора, и фазовые набеги сигналов в первом и во втором плечах интерферометра, соответственно.

ФЧХ нелинейного интерферометра имеет вид

(12)

где

В формуле (13) мощности сигналов, интерферирующих на вы-

ходе интерферометра, а <рСВу И 0>СВ2 ■ фазовые набеги спиновых волн в нелинейных фазовращателях.

В качестве примера рис. 2 демонстрирует результаты расчета АЧХ и ФЧХ нелинейного интерферометра, проведенного при помощи полученных формул (12) и (13). Из графиков видно, что фазочастотная характеристика интерферометра имеет вид, несвойственный линейным СВЧ приборам. Так, ФЧХ интерферометра, в котором интерферируют сигналы одинаковых амплитуд (рис. 2,6) имеет скачки на 180 градусов, а ФЧХ интерферометра, в котором реализуется интерференция сигналов разных амплитуд (рис. 2,г) имеет немонотонный вид. В частности, вид фазочастотной характеристики можно регулировать путем изменения затухания аттенюатора.

Как следует из простых физических соображений, для получения наибольшей чувствительности интерферометра к величине входного сигнала необходимо, чтобы нелинейные сдвиги фазы сигналов, прошедших разные плечи интерферометра, имели разные знаки. Это реализуется в двух случаях: (1) если в одном плече использовать ФВ на прямых объемных СВ, а в другом - ФВ на поверхностных СВ; (2) если в одном плече использовать ФВ на обратных объемных СВ, а в другом - ФВ на поверхностных СВ.

Выражения (12) и (13) были получены путем рассмотрения суммы двух колебаний с помощью метода комплексных амплитуд. Моделирование

амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик интерферометров по этим формулам показало, что амплитудно-частотная характеристика интерферометра имеет вид чередующихся максимумов и минимумов (см. рис. 2,а и в). Максимумы (минимумы) наблюдаются на тех частотах, на которых сигналы, прошедшие разные плечи интерферометра, складываются синфазно (противофазно). Если складывающиеся сигналы имеют одинаковую мощность, то в точках минимума значения АЧХ равны нулю. Фазочастотная характеристика в точках минимума АЧХ претерпевает скачок на 180 градусов.

Моделирование АЧХ и ФЧХ интерферометров по формулам (12) и (13) также показало, что в отличие от линейного интерферометра при увеличении уровня мощности СВЧ сигнала амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики нелинейного интерферометра смещаются по частоте.

В третьем параграфе главы проведен анализ АЧХ и ФЧХ интерферометра, в одном плече которого содержался ФВ на прямых объемных СВ, а в другом - ФВ на поверхностных СВ. Показано, что, когда наклон ФЧХ фазовращателя на прямых объемных СВ больше наклона ФЧХ фазовращателя на поверхностных СВ, графики АЧХ и ФЧХ интерферометра при увеличении мощности смещаются вверх по частоте, а в противном случае - вниз по частоте. Проведенный анализ также показал, что уменьшение толщин пленок и увеличение расстояния между антеннами СВ фазовращателей приводит к более частому чередованию максимумов и минимумов АЧХ интерферометра.

Выведена формула для расчета параметров конструкции фазовращателей на прямых объемных СВ и поверхностных СВ, при которых обеспечивается равенство времен задержки сигналов в плечах интерферометра. Теоретически показано, что, если параметры конструкции фазовращателей удовлетворяют выведенной формуле, то интерферометр с такими фазовращателями будет обеспечивать наилучшее подавление СВЧ импульсов.

В четвертом параграфе главы проведен анализ АЧХ и ФЧХ интерферометра, в одном плече которого содержался ФВ на обратных объемных СВ, а в другом - ФВ на поверхностных СВ. Показано, что увеличение мощности входного сигнала приводит к смещению АЧХ и ФЧХ интерферометра в сторону уменьшения частоты вне зависимости от параметров его конструкции. Проведенный анализ также показал, что уменьшение толщин пленок и увеличение расстояния между антеннами СВ фазовращателей приводит к более частому чередованию максимумов и минимумов АЧХ интерферометра.

Выведена формула для расчета параметров конструкции фазовращателей на обратных объемных СВ и поверхностных СВ, при которых обеспечивается равенство времен задержки сигналов в плечах интерферометра. Теоретически показано, что вблизи той частоты, на которой выполняется равенство времен задержки, фазочастотная характеристика интерферометра имеет практически постоянное значение между скачками фазы на 180 градусов.

В пятом параграфе проведено теоретическое исследование передаточной характеристики нелинейного интерферометра без учета нелинейного затухания СВ. Показано, что в отличие от линейного интерферометра, зависимость выход-

ной мощности которого носит монотонный линейный характер, нелинейный интерферометр обладает немонотонной зависимостью выходной мощности от входной мощности. Минимум зависимости наблюдается при определенном значении входной мощности, при котором интерферирующие сигналы складываются в противофазе. В случае, если интерферирующие сигналы имеют одинаковые мощности, то мощность выходного сигнала нелинейного интерферометра равна нулю при ненулевой мощности входного сигнала. Иными словами, в этом случае происходит полное подавление СВЧ сигнала в нелинейном интерферометре.

В шестом параграфе проведено теоретическое исследование передаточной характеристики нелинейного интерферометра с учетом нелинейного затухания СВ. Показано, что наличие нелинейного затухания спиновых волн приводит к тому, что мощность, при которой наблюдается противофазное сложение сигналов на выходе инетрферометра, увеличивается. Следовательно, увеличивается мощность входного сигнала интерферометра, при которой наблюдается его полное подавление. Это происходит из-за того, что нелинейное затухание СВ приводит к уменьшению их нелинейного фазового набега.

Глава 4 "Экспериментальное исследование нелинейного спин-волнового интерферометра" посвящена экспериментальной проверке ряда теоретических положений, выдвинутых в предыдущей главе диссертации, а также экспериментальному исследованию различных режимов работы нелинейного интерферометра.

Первый параграф главы посвящен экспериментальному исследованию интерферометра при непрерывном входном сигнале. Вначале параграфа описана экспериментальная установка. Далее описан экспериментальный макет нелинейного интерферометра. Устройство представляло собой мостовую схему, состоявшую из двух плеч (см. рис. 1,6). В первом плече интерферометра содержался спин-волновой фазовращатель, набег фазы СВЧ сигнала на выходе которого зависел от его амплитуды. Во втором плече, называемым опорным, содержался переменный аттенюатор. Экспериментальный макет имел конструкцию, в которой была реализована возможность использования фазовращателей, работающих на различных типах спиновых волн. В эксперименте использовались фазовращатели с расстояниями между антеннами спиновых волн травными 4 и 6 мм, изготовленные на основе двух монокристаллических пленок железо-иттриевого граната с толщинами Ь равными 5,7 и 9,64 мкм.

Далее в первом параграфе четвертой главы описана методика измерения передаточных характеристик нелинейного интерферометра, а также характеристик изменения разности фаз интерферирующих сигналов от входной мощности. В конце параграфа приведены результаты экспериментальных исследований названных характеристик, которые показаны на рис. 3. Из графиков видно, что при величине входного СВЧ сигнала, соответствующей изменению фазового набега на 180 градусов, величина СВЧ сигнала на выходе интерферометра равна нулю. Иными словами, в этом случае происходит полное подавление входного сигнала интерферометра.

fo =3589 МГц fn=3514 МГц L =5,7 мкм

d=4MM

10 20 30 Pin» мВт

10 20 30 Pin. мВт

б) Зж

40

[2я

%

20т 15 10

fo—3571 МГц fH=3495 МГц L =5,7 мкм d =6 мм

10 20 30 Р» мВт

40

10 20 30 40 Pu» мВт

fo =3582 МГц fH=3520MTu L =9,64 мкм

d=4MM

10 20 Pin, мВт

Pu,, мВт

Зтс

|2я ©

< .

fo =3565 МГц fH=3460 МГц L =9,64 мкм

d=ÖMM

1Ô 20 ÎÔ 40 ' Р», мВт

10 20 30 ' 40 Рш, мВт

Рис. 3.

Второй параграф посвящен экспериментальному исследованию интерферометра при импульсном входном сигнале. Целью параграфа являлось исследо-вание подавления импульсных СВЧ сигналов различной амплитуды в нелинейном интерферометре.

В первом пункте параграфа описаны экспериментальная установка, экспериментальные макеты и методика измерений. Во втором пункте параграфа приведены экспериментальные результаты. Наблюдавшиеся в экспериментах осциллограммы входных и выходных импульсов, иллюстрирующие подавление СВЧ импульсов, показаны на рис. 4. Результаты демонстрируют, что в нелинейном интерферометре возможно подавление импульсных СВЧ сигналов, если ширина основного лепестка спектра сигнала меньше, чем разность частот между соседними максимумами амплитудно-частотной характеристики интерферометра. На осциллограммах рисунка 3 длительность СВЧ импульсов равна 3 мкс, следовательно, ширина основного лепестка спектра сигнала была много меньше разности частот между максимумами амплитудно-частотной характеристики нелинейного интерферометра, которая составляла 7 МГц. Поэтому, как показано на рисунке 4,г, входной импульс такой длительности практически полностью подавляется.

На краях подавленных СВЧ импульсов наблюдались короткие пики. Формирование как переднего, так и заднего пиков было обусловлено разным временем распространения сигналов в различных плечах интерферометра. Это подтвердил численный расчет времени задержки сигнала в нелинейном спин-волновом фазовращателе. Кроме того, в формирование первого пика дополнительный вклад вносил процесс развития нелинейности спиновых волн, что выражалось во всплеске мощности первого пика.

В третьем параграфе приведены результаты экспериментального исследования амплитудно-селективного подавления радиоимпульсов. Показано, что, если последовательность входных импульсов состоит из импульсов низкой мощности и импульсов высокой мощности, то импульсы высокой мощности должны

Время, 2 мкс/дел Рис. 4.

t, 20 мкс/дел Рис. 5.

подавляться. Осциллограммы входного сигнала (сверху) и выходного сигнала (снизу) нелинейного интерферометра приведены на рис. 5.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Adam J.D. Analog signal processing with microwave magnetics // Proc.IEEE, 1988, vol.76, N.2, pp.159-170.

2. Demidov V.E., Kalinikos BA, Kovshikov N.G., and Edenhofer P. Active narrowband magnetostatic wave filter // Electronics Letters, 1999, Vol. 35, pp. 1856 -1857.

3. Калиникос Б.А., Ковшиков Н.Г., СлавинАЛ. Солитоны огибающей и модуляционная неустойчивость дипольно-обменных волн намагниченности в пленках железоиттриевого граната // ЖЭТФ, 1988, том 94, вып. 2, с. 159-176.

4. Кокин А.В., Никитов СА Влияние непрерывной накачки на распространение солитонов огибающей магнитостатических спиновых волн // ФТТ, 2001, том 43, вып. 5, с. 851-854.

5. М. A. Tsankov, M. Chen, and С. Е. Patton. Magnetostatic wave dynamic magnetization response in yttrium iron garnet films // J. Appl. Phys. 1996. vol. 79. pp. 15951604.

6. Lai Q., Lanker M., Hunziker W. and Malhior H. Tunable wavelenght-selection switch and multiplexer/demultiplexer based on asymmetric silica-on-silicon Mach-Zehnder interferometer // Electronics Letters, 1998, vol. 34. No. 3, pp. 266-267.

7. Agrawal G.P. Nonlinear fiber optics. - Academic Press, San Diego, 1995.- p. 592.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕДИССЕРТАЦИИ

1. Демидов В.Е., УстиновА.Б. СВЧ интерферометр на основе эффекта нелинейного сдвига частоты спиновых волн // Тезисы докладов второй объединенной конференции по магнитоэлектронике (международной), г. Екатеринбург, 15-18 февраля 2000 г., стр. 46.

2. Устинов А.Б., Демидов В.Е., КалиникосБЛ. Нелинейный спин-волновой пленочный СВЧ интерферометр // Сборник трудов 17 международной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", 20-23 июня 2000г., Москва, с.323-325.

3. Устинов А.Б., Калиникос БА Нелинейный спин-волновой сверхвысокочастотный интерферометр // Письма в ЖТФ, том 27, вып. 10, стр. 20-25,2001.

4. Ustinov A.B., Demidov V.E. and Kalinikos B.A. Electronically tunable nondisper-sive magnetostatic wave delay line (Электрически перестраиваемая бездисперсионная линия задержки на магнитостатических волнах) // Electronics Letters, 2001, vol. 37, No. 19, pp. 1161-1162.

5. Устинов А.Б. Нелинейный спин-волновой интерферометр для обработки СВЧ сигналов // Седьмая Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и молодых ученых, сборник тезисов, Санкт-Петербург, 5-11 апреля 2001г., стр. 732.

6. Ustinov A.B. Frequency-response characteristics of nonlinear spin wave interferometer (Амплитудно-частотная характеристика нелинейного спин-волнового интерферометра) // International conference Functional Materials ICFM-2001, Ukraine, Kiimea, Partenit2001, abstracts, p. 116.

7. UstinovA.B. Pulse regime of nonlinear spin wave interferometer operation (Импульсный режим работы нелинейного спин-волнового интерферометра) // The 2002 IEEE International Magnetics Conference "Intermag Europe 2002", April 28 - May 2,2002, Amsterdam, The Netherlands. Digest oftechnical papers, BW-17.

8. Ustinov A.B. Power-selective suppression of microwave pulses in nonlinear spin wave interferometer (Амплитудно-селективное подавление СВЧ импульсов в нелинейном спин-волновом интерферометре) // The 2003 IEEE International Magnetics Conference INTERMAG 2003, March 30 - April 3, 2003, Boston, Massachusetts, USA, HD-10.

9. Устинов А.Б., Калиникос БА Подавление импульсных сверхвысокочастотных сигналов в нелинейном спин-волновом интерферометре // Письма в ЖТФ, том 29, вып. 14, стр. 66-73,2003.

10. Устинов А.Б., Тимофеева МА Экспериментальное исследование передаточной характеристики нелинейного пленочного фазовращателя на спиновых волнах // Материалы международной научной конференции "Тонкие пленки и наноструктуры", 7-10 сентября 2004 г., Москва, МИРЭА, часть1, с. 234-237.

11. Ustinov A.B. YIG-film nonlinear microwave phase shifter (Нелинейный СВЧ фазовращатель на пленке ЖИГ) // 49th Annual Conference on Magnetism&Magnetic Materials, Jacksonville, Florida, November 7-11,2004, BQ-07.

Подписано в печать 17.11.2004. Формат 60x84/16. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис» Печать ризографическая. Заказ № 1/1711. П. л. 1.0. Уч.-изд. 1.0. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис», 194017, Санкт-Петербург, Скобелевский пр., д. 16 Тел.:(812)234 4333

»2333«

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ И ФАЗОВРАЩАТЕЛИ НА ИХ ОСНОВЕ (обзор)

1.1. Спектр нормальных спиновых волн в ферромагнитных пленках.

1.2. Колебания намагниченности с учетом потерь. Затухание спиновых волн.

1.3. Нелинейность спиновых волн.

1.4. Нелинейный сдвиг волновых чисел спиновых волн.

1.5. Метод огибающих. Нелинейное уравнение Шредингера.

1.6. Спин-волновые фазовращатели.

1.7. АЧХ и ФЧХ спин-волновых фазовращателей.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАТУХАНИЯ И ФАЗОВОГО НАБЕГА ИНТЕНСИВНЫХ

СПИНОВЫХ ВОЛН.

2.1. Нелинейное затухание интенсивных спиновых волн. ф 2.2. Нелинейный фазовый набег интенсивных спиновых волн.

2.3. Эволюция амплитуды и фазы интенсивных спиновых волн с учетом их нелинейного затухания.

2.3.1. Влияние нелинейного затухания спиновых волн на предаточные, амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики фазовращателей.

2.3.2. Влияние параметров конструкции нелинейного фазовращателя на нелинейный фазовый набег спиновых волн.

2.4. Экспериментальное исследование нелинейного затухания спиновых волн.

2.4.1. Экспериментальные макеты, экспериментальная установка и методика измерений.

2.4.2. Экспериментальные результаты.

2.4.3. Вычисление коэффициентов нелинейного затухания спиновых волн.

2.5. Экспериментальное исследование нелинейного сдвига фазы интенсивных спиновых волн.

2.5.1. Методика измерений.

2.5.2. Экспериментальные результаты.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО СПИН* ВОЛНОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА.

3.1. Модель нелинейного спин-волнового пленочного СВЧ интерферометра.

3.2. Коэффициент передачи интерферометра.

3.3. АЧХ и ФЧХ интерферометра с нелинейными фазовращателями на спиновых волнах одинаковых типов дисперсии.

3.3.1. Моделирование АЧХ и ФЧХ.

3.3.2. Влияние параметров конструкции на характеристики интерферометра.

3.3.3. АЧХ интерферометра в случае равенства времен задержки фазовращателей.

3.4. АЧХ и ФЧХ интерферометра с нелинейными фазовращателями на спиновых волнах различных типов дисперсии.

3.4.1. Моделирование АЧХ и ФЧХ.

3.4.2. Влияние параметров конструкции на характеристики интерферометра.

3.4.3. АЧХ и ФЧХ интерферометра в случае равенства времен задержки фазовращателей.

3.5. Передаточная характеристика интерферометра без учета нелинейного затухания спиновых волн.

3.6. Передаточная характеристика интерферометра с учетом нелинейного затухания спиновых волн.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО СПИН

ВОЛНОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА.

4.1. Исследование интерферометра при непрерывном входном сигнале

4.1.1. Экспериментальная установка.

4.1.2. Экспериментальные макеты.

4.1.3. Методика измерений.

4.1.4. Экспериментальные результаты.

• ■ 4.2. Исследование интерферометра при импульсном входном сигнале

4.2.1. Экспериментальная установка, экспериментальные макеты и методика измерений.

4.2.2. Экспериментальные результаты.

4.3. Исследование амплитудно-селективного подавления радиоимпульсов.

Выводы по главе 4.

-Г'ДО

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 и др. [1,2].

В последнее десятилетие наблюдается возрастание интереса к исследованию нелинейных свойств спиновых волн, распространяющихся в ферромагнитных пленках, а также к созданию нелинейных спин-волновых

1.' устройств. Были исследованы такие нелинейные явления, как модуляционная неустойчивость [3], солитоны 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 изучёйы разнообразные нелинейные спин-волновые приборы, такие, как шумоподавители, 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 т диссертационного исследования являются:

1. Исследование нелинейного затухания интенсивных спиновых волн различных типов, распространяющихся в пленках железо-иттриевого граната.

2. Разработка методов расчета нелинейного фазового набега интенсивных спиновых волн.

3. Экспериментальное исследование нелинейного фазового наб@га интенсивных спиновых волн в пленках ЖИГ на макетах нелинейных спйн-волновых фазовращателей. ^

4. Разработка теоретической модели и методов расчета характеристик нелинейного СВЧ интерферометра, в состав которого входят нелинейные спин-волновые фазовращатели.

5. Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейного спин-волнового интерферометра.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследовано нелинейное затухание СВ и разработаны методы расчета нелинейного фазового набега интенсивных СВ.

2. Исследовано влияние нелинейного затухания и нелинейного фазового набега СВ на передаточные, амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) спин-волновых фазовращателей.

3. Разработана модель нелинейного спин-волнового СВЧ; интерферометра, а также методика инженерного расчета его основных рабочих характеристик. Выполнен расчет АЧХ, ФЧХ и передаточных характеристик интерферометра. Исследовано влияние параметров конструкции интерферометра на его характеристики.

4. Экспериментально исследованы характеристики нелинейного интерферометра при непрерывных и импульсных входных сигналах. ПокаЗайо, что явление возникновения нелинейного изменения фазового набега спиновых волн при увеличении их амплитуды позволяет реализовать амплитудно-селективное подавление импульсных СВЧ сигналов в нелинейном интерферометре.

Новые научные , результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать научные положения, выносимые на защиту:

1. При увеличении плотности мощности спиновых волн, распространяющихся в тонких пленках железо-иттриевого граната, до значений порядка 0,1 Вт/мм2 возникает нелинейное затухание спиновых волн, величина которого зависит от уровня мощности.

2. Решение граничной задачи для пленок железо-иттриевого 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.

3. В нормально намагниченных пленках железо-иттриевого граната нелинейный поворот фазы спиновых волн на 180 градусов достигается ниже порога модуляционной неустойчивости на длинах распространения, измеряемых -миллиметрами.

4. Использование нелинейного фазового сдвига в нелинейных спин-волновых СВЧ интерферометрах позволяет подавлять не только непрерывные, 'но и импульсные СВЧ сигналы. При этом для эффективного подавления необходимо, чтобы ширина основного лепестка частотного спектра входных сигналов б£$ла меньше, чем разность частот между соседними максимумами амплитудйо-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, распространяющихся в ферромагнитных пленках. Полученные результаты можно использовать при разработке спин-волновых приборов, работающих при 1 высоких уровнях СВЧ сигнала.

2. Создан пакет программ, позволяющий рассчитывать эволюцию амплитуды и фазы интенсивных спиновых волн с учетом их нелинейного затухания в спин-волновых СВЧ приборах типа фазовращателей и линий задержки.

3. 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.

Результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на ряде конференций и семинаров различного уровня, в частности, International Magnetic Conference "INTERMAG" (Amsterdam, 2002 и Boston, 2003), Annual Conference on Magnetism&Magnetic Materials (Florida, 2004), на "Второй объединенной конференции по магнитоэлектронике" (Екатеринбург, 2000), на конференции "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 2000), на конференциях "International Student Seminar on Microwave Applications of NoVel 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 и 2004) и др.

По теме диссертации автором опубликовано 11 печатных работ, в том числе - 3 статьи в научных журналах и тезисы к восьми докладам на научно-технических конференциях.

I.

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 содергкит

'неосновные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем. *

1. Построена теория нелинейного затухания и нелинейного фазового

Ф. сжця: набега интенсивных СВ, распространяющихся в ферромагнитных пленках. Полученные выражения можно использовать при решении широкого круга задач, связанных с численным расчетом передаточных, амплитудно-частотны^'и фазочастотных характеристик нелинейных спин-волновых СВЧ приборов.

2. Проанализировано влияние нелинейного затухания спиновых волн на передаточные, амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики нелинейного фазовращателя. Показано, что наличие нелинейного затухания СВ

V/ приводит: (1) к более сильному уменьшению амплитуды СВ и, следовательно, к более сильному ослаблению СВЧ сигнала в нелинейном фазовращателе; (2) к уменьшению нелинейного фазового набега интенсивных СВ; (3) к насыщению амплитуды СВ на выходе нелинейного фазовращателя, и, следовательно,' к ограничению мощности его входного СВЧ сигнала. Проведена оценка влияния величин коэффициентов нелинейного затухания третьего порядка V] и пятого порядка у2 • Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что нелинейное затухание третьего порядка начинает существенно влиять на характеристики нелинейного спин-волнового фазовращателя при значениях у,,

9 1 превышающих 10 с", а нелинейное затухание пятого порядка начинает

• - )ч существенно влиять при значениях у2, превышающих 1012 с"1.

3. Проанализировано влияние параметров пленочных волноводов«*на величину нелинейного сдвига фазы спиновых волн. Показано, что нелинейный сдвиг фазы спиновых волн прямо пропорционален их нелинейному коэффициенту и обратно пропорционален групповой скорости. Для всех типов спиновых в<йн уменьшение толщины ферромагнитной пленки приводит к уменьшению групповой скорости спиновых волн в то время, как нелинейный коэффициент изменяется слабо. Поэтому уменьшение толщины ферромагнитной пленки приводит к увеличению нелинейного сдвига фазы спиновых волн. Для всех типов спинощлх волн наблюдается слабая зависимость нелинейного сдвига фазы спиновых воЛ0%т волнового числа спиновой волны и намагниченности насыщения ферромагнитной пленки. Для прямых объемных и обратных объемных СВ при увеличении поля подмагничивания нелинейный коэффициент и групповыя скорость практически не меняются в то время, как для поверхностных спиновых волн при увеличении поля подмагничивания нелинейный коэффициент возрастает, а групповая скорость уменьшается. При внутренних полях меньших 3250 Э наибольшим нелинейным фазовым сдвигом обладают прямые объемные спиновые волны, а при внутренних полях больших 3250 Э наибольшим нелинейным фазовым сдвигом обладают поверхностные спиновые волны. Таким образом, наибольший нелинейный фазовый сдвиг при увеличении уровня мощности на частотах ниже 9,1 ГГц приобретают прямые объемные СВ, а на частотах выше 9,1 ГГц - поверхностные СВ. Эта закономерность может играть решающую роль при выборе типа спиновой волны нелинейного фазовращателя для построения нелинейных СВЧ приборов.

4. Экспериментально исследован нелинейный сдвиг фазы интенсивных спиновых волн в нелинейном фазовращателе при уровнях мощности, лежащих -I ниже порога возникновения модуляционной неустойчивости спиновых волн. Показано, что нелинейный фазовый набег интенсивных СВ в норма$2$!0

- "Т.! намагниченных пленках более чем на 180 градусов происходит при увеличении уровня мощности СВЧ сигнала до значений, лежащих ниже порога возникновения модуляционной неустойчивости СВ. Такое свойство нелинейных СВ подтверждает пригодность нелинейных спин-волновых фазовращателей для создания нелинейных СВЧ интерферометров.

5. Разработана теоретическая модель нелинейного СВЧ интерферометра на спиновых волнах. Выведены формулы, позволяющие рассчитывать амплитудно-частотные, фазочастотные, а также передаточные характеристики нелинейного спин-волнового интерферометра. Моделирование показало, что амплитудно-частотная характеристика интерферометра имеет вид чередующихся максиму минимумов. Максимумы (минимумы) наблюдаются на тех частотах, на которых сигналы, прошедшие разные плечи интерферометра, складываются синфЩро (противофазно). Если складывающиеся сигналы имеют одинаковую мощность, то в точках минимума значения АЧХ равны нулю. Фазочастотная характеристика*-в точках минимума АЧХ претерпевает скачок на 180 градусов.

6. Выведены формулы для расчета значений параметров констр^кщш нелинейного интерферометра, при которых обеспечивается равенство времён задержки сигналов в плечах интерферометра. Для интерферометра с фазовращателями на прямых объемных СВ и поверхностных СВ показано, что если параметры конструкции фазовращателей удовлетворяют выведенной формуле, то интерферометр с такими фазовращателями будет обеспечивать наилучшее подавление СВЧ импульсов. Для интерферометра с фазовращателями на обратных объемных СВ и поверхностных СВ показано, что вблизи той частоты, на которой выполняется равенство времен задержки, фаза сигнала на выходе интерферометра практически не изменяется между скачками фазы на 180 градусов.

7. Проанализировано влияние нелинейного затухания спиновых воднша передаточную характеристику нелинейного интерферометра. Показано, что наличие нелинейного затухания спиновых волн приводит к тому, что мощность, при которой наблюдается противофазное сложение сигналов на выходе интерферометра, увеличивается. Следовательно, увеличивается мощность входных сигналов интерферометра, при которых наблюдается их полное подавление. Это происходит из-за того, что нелинейное затухание СВ приводит к уменьшению тих нелинейного фазового набега. ~

8. Проведено экспериментальное исследование нелинейШро интерферометра при непрерывном и импульсном входных СВЧ сигналах, а также продемонстрированы различные режимы его работы. В частности, по1Й83Ш& возможность амплитудно-селективного подавления импульсных СВЧ сигналов в нелинейном интерферометре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Adam J.D. Analog signal processing with microwave magnetics // Proc.IEEE, 1988, vol.76, N.2, pp.159-170.

2. Вашковский A.B., Стальмахов B.C., Шараевский Ю.П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Изд. Саратовского университета, 1993, 311 с.

3. Калиникос Б.А., Ковшиков Н.Г., СлавинА.Н. Солитоны огибающей и модуляционная неустойчивость дипольно-обменных волн намагниченности в пленках железоиттриевого граната // ЖЭТФ, 1988, том 94, вып. 2, с. 159-176.

4. Кокин А.В., Никитов С.А. Влияние непрерывной накачки на распространение солитонов огибающей магнитостатических спиновых волн// ФТТ, 2001, том 43, вып. 5, с. 851-854.

5. М. A. Tsankov, М. Chen, and С. Е. Patton. Magnetostatic wave dynamic magnetization response in yttrium iron garnet films // J. Appl. Phys. 1996. vol. 79. pp. 1595-1604.

6. Lai Q., banker M„ Hunziker W. and Malhior H. Tunable wavelenght-selection switch and multiplexer/demultiplexer based on asymmetric silica-on-silicon Mach-Zehnder interferometer // Electronics Letters, 1998, vol. 34. No. 3, pp. 266-267.

7. Agrawal G.P. Nonlinear fiber optics. Academic Press, San Diego, 1995.- p. 592

8. Damon R.W., Eshbach J.R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab// J. Phys. Chem. Solids, 1961, vol. 19, P.308-320.

9. Damon R.W., van de Vaart H. Propagation of magnetostatic spin waves at microwave frequencies in a normally magnetized disk// J. Appl. Phys., 1965, vol. 36, p.3453-3459.

10. Ганн B.B. Неоднородный резонанс в ферромагнитной пластинке// ФТТ, 1966, т. 8, №11, с. 3167-3172.

11. Филиппов Б.Н. О колебаниях намагниченности в ферромагнитных пластинах// ФММ, 1971, т. 32, № 5, с. 911-924.

12. Филиппов Б.Н., Титяков И.Г. О колебаниях намагниченности в ферромагнитных пластинах// ФММ. 1973, т. 35, № 1, с. 28-38.

13. Филиппов Б.Н. Поверхностные спиновые и магнитоупругие волны в ферромагнетиках. Свердловск, Препринт 80/1 института физики металлов, 1980.-63 с.

14. Хлебопрос Р.Г., Михайловская J1.B. Спиновые колебания в ферромагнитном слое//Изв. АН СССР, сер. физ., 1972, т. 36, с. 1522-1530.

15. Михайловская Л.В., Хлебопрос Р.Г. Влияние поверхностного закрепления спинов на магнитостатический спектр ферромагнитного слоя// ФТТ, 1974, т.16, №1, с.77-82.

16. Луговской А.В., Зильберман П.Е. Обменные осцилляции спектра и затухания прямых объемных магнитостатических волн в тонкой ферромагнитной пластине// ФТТ, 1982, т. 24, № 2, с. 458-462.

17. De Wames R.E., Wolfram Т. Dipole-exchange spin waves in ferromagnetic films// J. Appl. Phys., 1970, vol. 41, N 3, p. 987-993.

18. Wolfram Т., De Wames R.E. Effect of exchange on the magnetic surface states of yttrium iron garnet films// Solid State Comm., 1971, Vol. 8, N 3, p. 191-194.

19. Sparks M. Effect of exchange on magnetostatic modes// Phys. Rev. Lett., 1970, vol. 24, N21, p. 1178-1180.

20. Вендик О.Г., Чарторижский Д.Н. Дисперсионное уравнение для неоднородных колебаний намагниченности в ферромагнитной пластине// ФТТ.-1970.-Т.12, №5, С. 1538-1540.

21. Вендик О.Г., Чарторижский Д.Н. О влиянии граничных условий для вектора намагниченности на дисперсию спиновых волн в тонкой ферромагнитной пленке//Изв.ЛЭТИ.-1970.-Вып.96,- С. 1538-1540.

22. Чарторижский Д.Н. Нормальные колебания и нормальные волны в тонких ферромагнитных пленках на СВЧ: Дисс. Канд. Физ.-мат. наук.-Ленинград.-ЛЭТИ.- 1973.

23. Калиникос Б.А., Митева С.И. Дисперсионное уравнение для слоистой структуры металл-магнитодиэлектрик// Изв. вузов СССР -Радиоэлектроника.-1980.-Т.23, №5.- С.74-75.

24. Калиникос Б.А., Митева С.И. Дисперсия дипольно-обменных спиновых волн в слоистой структуре// ЖТФ. 1981.-Т.26, № 10.- С.2213-2215.25.