CN106921105A - 基于自旋振荡器的太赫兹信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于自旋振荡器的太赫兹信号发生器。一种信号发生器可包括：彼此串联连接的多个电路级，每个电路级包括乘法器、滤波器和自旋振荡器，所述乘法器具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端接收上一个电路级的输出，所述第二输入端接收所述自旋振荡器的输出，所述乘法器的输出被提供给所述滤波器，所述滤波器在对所述乘法器的输出进行滤波后，将滤波后的信号提供给下一个电路级，其中第一个电路级中的乘法器的第一输入端子接收外部输入信号，最后一个电路级中的滤波器的输出用作所述信号发生器的输出。

Description

基于自旋振荡器的太赫兹信号发生器

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学，更特别地，涉及一种基于自旋振荡器的信号发生器，其能够产生高频信号，甚至可达到太赫兹范围的频率。此外，本发明还涉及包括这样的信号发生器的电路系统。

背景技术

太赫兹，即太拉赫兹，一般指的是100GHz到10THz范围的频率，相应的波长为3毫米到30微米，在电磁波谱上介于毫米波与红外光之间，代表了从量子机制传输理论到经典机制传输理论的重要转变。太赫兹波的这一特殊位置决定了其丰富的科学内涵，兼具微波毫米波与红外可见光两个区域的特性，使得其在许多领域都有重大的应用前景。

太赫兹信号的产生方法一般可分为基于光学的太赫兹信号发生方法和基于电子学的太赫兹信号发生方法。基于光学的太赫兹信号发生方法包括使用自由电子激光器、电光晶体太赫兹脉冲源、瞬时光电导产生太赫兹电磁脉冲等。尤其是随着激光相关领域的进展，近年来已经出现了若干基于光学方法的太赫兹信号发生器件。

相比而言，基于电子学的太赫兹信号发生方法目前仍比较匮乏。一种电子学方法是使用回波振荡器(BWO)(也称为行波管)，其能产生100GHz至1THz的辐射频率，输出功率大于10mW，调谐范围可达到中心频率的30％左右。然而，回波振荡器的操作需要高电压和高磁场，因而能耗非常大，并且回波振荡器的体积较大。因此，这些缺点限制了回波振荡器的实际使用。另一种电子学方法是采用倍频器。例如，采用成熟的微波技术将晶体振荡器的输出频率变换到微波的范围，然后通过级联的倍频器链将其倍频到太赫兹的范围。然而，这样的电路一般非常复杂。晶体振荡器本身的输出频率为数十到上百兆赫兹，一般在200MHz以下，需要复杂的频率合成技术将其变换到微波的范围。另一方面，由于倍频链中需要过多的倍频器级数以实现大的倍频系数和高的频率，将会在噪声和输出功率特性方面遇到困难。由于上述原因，难以得到高质量的太赫兹信号。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种信号发生器，其能够以简单的电路结构产生高频信号，甚至可达到太赫兹范围的频率。

根据本发明一示范性实施例，一种信号发生器可包括：彼此串联连接的多个电路级，每个电路级包括乘法器、滤波器和自旋振荡器，所述乘法器具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端接收上一个电路级的输出，所述第二输入端接收所述自旋振荡器的输出，所述乘法器的输出被提供给所述滤波器，所述滤波器在对所述乘法器的输出进行滤波后，将滤波后的信号提供给下一个电路级，其中第一个电路级中的乘法器的第一输入端子接收外部输入信号，最后一个电路级中的滤波器的输出用作所述信号发生器的输出。

在一实施例中，所述自旋振荡器包括：自旋注入层，其接收非自旋极化电流输出，并且提供自旋极化电流输出；以及设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡信号。

在一实施例中，所述自旋振荡器还包括设置在所述自旋注入层与所述磁进动层之间的间隔层，所述间隔层由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。

在一实施例中，所述自旋注入层由自旋霍尔效应材料或反常霍尔效应材料形成，其中，所述自旋霍尔效应材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它们的组合；IrMn、PtMn和AuMn；以及Bi₂Se₃、Bi₂Te₃，且其中，所述反常霍尔效应材料包括：Fe、Co、Ni，以及它们的合金；Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，以及它们的合金。

在一实施例中，所述滤波器是高通滤波器。

在一实施例中，所述信号发生器还包括设置在所述自旋振荡器与所述乘法器的第二输入端之间的功率放大器。

在一实施例中，所述信号发生器还包括设置在所述自旋振荡器与所述乘法器的第二输入端之间的开关。

根据本发明另一示范性实施例，一种信号发生器可包括：第一和第二自旋振荡器；以及第一混频器，包括第一乘法器和连接到所述第一乘法器的输出端的第一滤波器，所述第一乘法器接收来自所述第一和第二自旋振荡器的输入。

在一实施例中，所述信号发生器还包括：第三和第四自旋振荡器；第二混频器，包括第二乘法器和连接到所述第二乘法器的输出端的第二滤波器，所述第二乘法器接收来自所述第三和第四自旋振荡器的输入；以及第三混频器，包括第三乘法器和连接到所述第三乘法器的输出端的第三滤波器，所述第三乘法器接收来自所述第一滤波器和所述第二滤波器的输入。

在一实施例中，所述第一、第二和第三滤波器每个都是高通滤波器，且所述第一、第二、第三和第四自旋振荡器每个都包括：自旋注入层，其接收非自旋极化电流输出，并且提供自旋极化电流输出；以及设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡信号。

本发明又一示范性实施例还提供一种电路系统，其包括上述信号发生器中的任意一种。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的自旋振荡器的结构示意图。

图2示出图1的自旋振荡器的操作原理。

图3示出根据本发明一实施例的自旋振荡器的输出信号的示例。

图4示出根据本发明一实施例的基于自旋振荡器的信号发生器的示意性电路图。

图5示出根据本发明另一实施例的基于自旋振荡器的信号发生器的示意性电路图。

图6示出根据本发明又一实施例的基于自旋振荡器的信号发生器的示意性电路图。

图7示出根据本发明再一实施例的基于自旋振荡器的信号发生器的示意性电路图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的示范性实施例。

图1示出根据本发明一实施例的自旋振荡器100。图2示出自旋振荡器100的操作原理。如图1所示，自旋振荡器100的核心部件是多层膜结构110，其可包括自旋注入层112、间隔层114和磁进动层116。

自旋注入层112由能产生自旋电流的材料产生。众所周知，电子具有自旋属性，例如可分为自旋向上的电子和自旋向下的电子。在普通电流中，自旋向上的电子和自旋向下的电子大约各占一半，因此普通电流是非极化的。当非自旋极化的电流经过自旋注入层112时，其将转变成自旋极化的电流，从而可以将自旋极化的电流注入到将在后面描述的磁进动层116中。这样的自旋注入层112可以由自旋霍尔效应(SHE)材料或反常霍尔效应(AHE)材料形成。自旋霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y、以及它们的组合之类的非磁金属材料；诸如IrMn、PtMn和AuMn之类的反铁磁材料；以及诸如Bi₂Se₃、Bi₂Te₃之类的拓扑绝缘体材料等。反常霍尔效应材料的示例包括但不限于诸如Fe、Co、Ni之类的铁磁金属，诸如Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er之类的稀土材料，以及这些铁磁金属和稀土材料的任意组合等。在一些优选实施例中，自旋注入层112可由诸如Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe之类的铁磁金属或合金形成。

在自旋注入层112由磁材料形成的实施例中，优选地，自旋注入层112的磁矩被固定。在一些实施例中，自旋注入层112的磁矩可以采用自钉扎方式而被固定。例如，自旋注入层112本身可以采用具有较大矫顽力的硬磁材料形成。或者，自旋注入层112的磁矩可以采用钉扎结构而被固定。例如，可以在自旋注入层112的与间隔层114相反的一侧形成反铁磁钉扎层来固定自旋注入层112的磁矩。

间隔层114可由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。当自旋注入层112由磁性材料形成时，间隔层114是必要的，其将自旋注入层112与磁进动层116彼此磁去耦。当自旋注入层112由非磁材料形成时，间隔层114是可选的。也就是说，可以在自旋注入层112和磁进动层116之间形成间隔层114，也可以在二者之间不形成任何层，使得自旋注入层112和磁进动层116彼此直接接触。

当间隔层114由非磁导电材料形成时，自旋注入层112中的自旋极化电流可经过间隔层114到达磁进动层116。为了保持自旋极化电流的自旋极化属性，间隔层114的厚度应不超过其自旋扩散长度。可用于形成间隔层114的非磁导电材料的示例包括但不限于Cu、Ru、Ag、Au、Pt、Cr、Al、Zn、Pd、Zr、Ti、Sc等。在一些实施例中，间隔层114优选由自旋扩散长度较长的材料形成，例如但不限于Cu、Ru等。当间隔层114由非磁绝缘材料形成时，自旋注入层112中的自旋极化电流可隧穿经过间隔层114而到达磁进动层116。隧穿电流不会受到非弹性散射，因而可保持其自旋极化属性。可用于形成间隔层114的非磁绝缘材料的示例包括但不限于MgO、Al₂O₃、AlN、Ta₂O₅、HfO₂等等。

磁进动层116由磁性导电材料形成，其可以具有面内磁化，也可以具有垂直磁化。当来自自旋注入层112的自旋极化电流进入磁进动层116时，如图2所示，其将对磁进动层116的磁矩施加一个自旋转移力矩。如果这个自旋转移力矩不足以使磁进动层116的磁矩发生翻转，则在该自旋转移力矩和矫顽力的作用下，磁进动层116的磁矩将绕原磁化方向产生进动。磁进动层116的进动频率f可以由下面的公式1确定：

其中γ是回磁比，H是外磁场，H_an是磁晶各向异性场，H_d是退磁场，M_eff是有效饱和磁化强度。由于多层膜结构110的电阻大体上与磁进动层116的磁化方向角度的余弦成比例，因此，随着磁进动层116的磁矩的进动，多层膜结构110的电阻也将发生振荡变化。特别地，当磁进动层116的磁矩进动半圈，即180度时，多层膜结构110的电阻就变化一个周期。所以，多层膜结构110输出的振荡信号的频率是磁进动层116的磁矩进动频率的2倍。

返回参照图1，如上所述，当向多层膜结构110施加一个直流电流I_dc时，其将在输出端子OUT上输出一个高频振荡信号。在输出端子OUT与多层膜结构110之间还可以连接有一个高通滤波器120，例如其可以是电容器滤波器，以滤除输出信号的直流成分，而输出交流成分。

根据上面的公式1，多层膜结构110的输出频率可因磁进动层116的材料而有所不同。一般而言，当磁进动层116由软磁材料形成时，多层膜结构110的输出频率可以容易地达到1GHz以上，甚至能达到数十GHz的水平。当磁进动层116由硬磁材料形成时，由于硬磁材料比软磁材料具有更大的磁晶各向异性场Han，因此能容易地实现10GHz以上的输出频率，甚至能输出高达50GHz频率的信号。也就是说，多层膜结构110可以直接产生微波频率水平的振荡信号输出，远远高于常规的晶体振荡器的输出频率。当将多层膜结构110用作太赫兹源时，可以避免使用复杂的频率合成技术，而以更简单的电路实现太赫兹水平的输出。

图3示出多层膜结构110的一示例的输出信号，其中多层膜结构110为SiO₂/Pt(8nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/Cu(2nm)/CoCr(10nm)/Ta(6nm)。在该结构中，Pt层用作缓冲层，为上面的IrMn反铁磁钉扎层提供良好的生长表面。CoFe层用作自旋注入层112，其磁矩被其下的IrMn反铁磁钉扎层固定。Cu层用作间隔层114，硬磁材料CoCr用于形成磁进动层116。如图3所示，该结构实现了大约17.3GHz的输出频率。

图4示出根据本发明一实施例的基于自旋振荡器的信号发生器200的示意性电路图。如图4所示，信号发生器200是多级电路，其包括串联连接的多个电路级210a至210n，每个电路级在下面的描述中亦可用附图标记210来指示。多个电路级210a至210n彼此串联连接，每个电路级的输出连接到下一个电路级的输入，第一个电路级210a在其输入端子IN处接收输入信号，最后一个电路级210n在其输出端子OUT处提供输出信号。

参照图4，每个电路级210包括混频器，该混频器包括乘法器212和高通滤波器214。每个电路级210还包括自旋振荡器220，其可以是前面描述的自旋振荡器中的任意一种。以第一电路级210a为例，其乘法器212在其第一输入端子IN处接收第一输入信号，例如信号V₁cosω₁t，并且在其第二输入端子处接收来自自旋振荡器220的第二输入信号，例如信号V₂cosω₂t。如前所述，来自自旋振荡器220的第二输入信号V₂cosω₂t可以具有很高的频率，例如0.8GHz至50GHz的频率。在一些实施例中，乘法器212在第一输入端子IN处接收第一输入信号V₁cosω₁t也可以是来自自旋振荡器的信号，因此也具有很高的频率。

上述第一输入信号V₁cosω₁t和第二输入信号V₂cosω₂t在乘法器212中相乘，得到第一电路级210a的输出信号V₂₁₂，其可由下面的公式2表示：

V₂₁₂＝V₁V₂cosω₁tcosω₂t＝V₁V₂[cos(ω₁-ω₂)t+cos(ω₁+ω₂)t]/2 (2)

在上面的式1中，(ω₁-ω₂)是差频项，也是低频项，(ω₁+ω₂)是和频项，也是高频项。

乘法器212的输出V₂₁₂被提供给滤波器214。在本发明的一些实施例中，滤波器214可以是高通滤波器，其使得输出V₂₁₂中的低频项被滤除，而高频项作为混频器的输出被输出，并且被提供给下一级混频器。在另一些实施例中，滤波器214也可以是低通滤波器，其使得输出V₂₁₂中的高频项被滤除，而低频项作为混频器的输出被输出，并且被提供给下一级混频器。

在本发明的优选实施例中，滤波器214是高通滤波器，从而混频器的输出频率基本等于两个输入频率之和，从而能够产生更高频率的信号。而下一级混频器又能够输出上一级混频器的输出频率与上述自旋振荡器的振荡频率之和。如此，通过将多个这样的电路级彼此串联，就能够产生并且输出具有极高频率的信号。例如，如果使用上述产生图3所示信号的自旋振荡器，那么使用五个上述电路级，其可以连接6个这样的自旋振荡器(注意，第一电路级的输入端子IN上也可以连接一个自旋振荡器)，就可以产生100GHz以上(17.3×6＝103.8)频率的输出。应理解，信号发生器200中的电路级的数目可以根据所需频率和所使用的自旋振荡器而发生变化，并无特殊限制。

与常规的高频信号发生器，尤其是太赫兹信号发生器相比，本发明由于采用了能直接产生数GHz甚至数十GHz频率信号的自旋振荡器，因而能够大大简化电路结构，用简单的电路即可实现高频甚至太赫兹频率的信号输出。而且，由于本发明的信号发生器采用了自旋振荡器，而自旋振荡器可以制作得非常小，例如其平面尺寸可以在微米量级，其每个层的厚度可以在纳米量级，因此本发明的信号发生器能够制作得非常小，利于直接集成在集成电路或芯片中，适应于下一代大规模集成电路的需要。

图5示出根据本发明另一实施例的基于自旋振荡器的信号发生器的示意性电路图。图5所示的信号发生器300与图4所示的信号发生器200相同的部件用相同的附图标记指示，这里将省略对其的重复描述，而仅描述二者不同的部分。

如图5所示，在每个电路级210中的自旋振荡器220与乘法器212之间，还可以设置有放大器310。自旋振荡器220的输出信号一般频率较高，但是功率较低，在微瓦或毫瓦的量级。因此，在一些实施例中，可以在自旋振荡器220的输出端串联连接一个功率放大器310，以提高自旋振荡器220的输出功率。然后，将功率放大器310的输出提供给乘法器212。这样，可以提高信号发生器300的整体输出功率。

虽然未示出，但是在另一些实施例中，还可以在各个电路级210之间串联连接一个或多个功率放大器，这同样可以提高信号发生器300的整体输出功率。

图6示出根据本发明又一实施例的基于自旋振荡器的信号发生器的示意性电路图。图6所示的信号发生器400与图5所示的信号发生器300相同的部件用相同的附图标记指示，这里将省略对其的重复描述，而仅描述二者不同的部分。

如图6所示，在每个电路级210中的功率放大器310与乘法器212之间，还可以设置有开关410。在一些实施例中，开关410可以是例如晶体管开关。当开关410接通时，相应的自旋振荡器220和功率放大器310被接入到乘法器212，从而混频器可输出两个输入频率之和的频率。当开关410断开时，自旋振荡器220和功率放大器310被从相应的乘法器212断开。此时，乘法器212的与自旋振荡器220对应的输入端可以(例如通过未示出的其他电路)偏置在固定电压，使得混频器的输出频率等于其另一个输入端子上的输入频率。这样，通过各个开关410可以控制接入到电路中的自旋振荡器220的数目，可以调节信号发生器400的最终输出频率。

虽然未示出，但是信号发生器400还可以包括有控制电路，其可以根据例如用户输入来控制各个开关410的接通和断开，从而控制信号发生器400的输出频率。

在上面描述的实施例中，各个混频器210均是彼此串联连接，但是本发明不限于此，而是还可以采用其他配置。例如，图7示出根据本发明又一实施例的基于自旋振荡器的信号发生器的示意性电路图，其中各个混频器采用树状结构。

如图7所示，信号发生器500包括多对自旋振荡器，例如第一对自旋振荡器510a和510b、第二对自旋振荡器510c和510d。每对自旋振荡器连接到一个混频器的两个输入端。例如，第一对自旋振荡器510a和510b连接到第一混频器520a的两个输入端，第二对自旋振荡器510c和510d连接到第二混频器520b的两个输入端。

每个混频器可包括乘法器和滤波器。例如，第一混频器520a包括乘法器522a和滤波器524a。乘法器522a接收来自第一对自旋振荡器510a和510b的输入，并且将其输出提供给滤波器524a，滤波器524a可以是高通滤波器或低通滤波器，优选是高通滤波器。第二混频器520b包括乘法器522b和滤波器524b。乘法器522b接收来自第二对自旋振荡器510c和510d的输入，并且将其输出提供给滤波器524b，滤波器524b可以是高通滤波器或低通滤波器，优选是高通滤波器。

第一混频器520a和第二混频器520b的输出又被提供给第三混频器530。具体而言，第三混频器530可包括乘法器532和滤波器534。乘法器532接收来自第一混频器520a和第二混频器520b的输入，并且将其输出经滤波器534滤波之后，从信号发生器500的输出端子OUT输出。同样，滤波器534可以是高通滤波器或低通滤波器，优选是高通滤波器。

在滤波器524a、524b和534均是高通滤波器的情况下，信号发生器500的输出频率基本等于四个自旋振荡器510a、510b、510c和510d的频率之和。因此，信号发生器500可以用简单的电路实现高频信号。但是应理解，本发明不限于此，而是可以根据具体应用来设置这些滤波器的滤波属性。

图7的信号发生器500形成了二叉树结构，其中自旋振荡器510a、510b、510c和510d为叶节点，混频器530为根节点。应理解，虽然图7示出了三级二叉树结构，其中叶节点的自旋振荡器510a、510b、510c和510d为第一级，混频器520a和520b为第二级，根节点的混频器530为第三级，但是本发明不限于此。而是，取决于所需的输出频率和所使用的自旋振荡器，信号发生器500可以形成为更少(例如2)或更多(例如4、5、6......)级数的二叉树结构。

虽然未示出，但是信号发生器500中也可以设置有多个功率放大器，例如设置在各个自旋振荡器的输出端或各个混频器的输出端处，以提高输出信号的功率。

上面描述了本发明的信号发生器的一些实施例。应理解，这些信号发生器可以应用到各种电路系统中，例如各种探测器、通信设备等的电路系统中。本发明的实施例还包括这些具有上述信号发生器中的一种或多种的电路系统。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于这些特定实施例。本领域技术人员在阅读了本公开之后将会容易地意识到，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物来定义。

Claims (11)

1.一种信号发生器，包括：

彼此串联连接的多个电路级，每个电路级包括乘法器、滤波器和自旋振荡器，所述乘法器具有第一输入端和第二输入端，所述第一输入端接收上一个电路级的输出，所述第二输入端接收所述自旋振荡器的输出，所述乘法器的输出被提供给所述滤波器，所述滤波器在对所述乘法器的输出进行滤波后，将滤波后的信号提供给下一个电路级，

其中第一个电路级中的乘法器的第一输入端子接收外部输入信号，最后一个电路级中的滤波器的输出用作所述信号发生器的输出。

2.如权利要求1所述的信号发生器，其中，所述自旋振荡器包括：

自旋注入层，其接收非自旋极化电流输出，并且提供自旋极化电流输出；以及

设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡信号。

3.如权利要求2所述的信号发生器，其中，所述自旋振荡器还包括设置在所述自旋注入层与所述磁进动层之间的间隔层，所述间隔层由非磁导电材料或非磁绝缘材料形成。

4.如权利要求2所述的信号发生器，其中，所述自旋注入层由自旋霍尔效应材料或反常霍尔效应材料形成，

其中，所述自旋霍尔效应材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它们的组合；IrMn、PtMn和AuMn；以及Bi₂Se₃、Bi₂Te₃，且

其中，所述反常霍尔效应材料包括：Fe、Co、Ni，以及它们的合金；Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，以及它们的合金。

5.如权利要求1所述的信号发生器，其中，所述滤波器是高通滤波器。

6.如权利要求1所述的信号发生器，还包括设置在所述自旋振荡器与所述乘法器的第二输入端之间的功率放大器。

7.如权利要求1所述的信号发生器，还包括设置在所述自旋振荡器与所述乘法器的第二输入端之间的开关。

8.一种信号发生器，包括：

第一和第二自旋振荡器；以及

第一混频器，包括第一乘法器和连接到所述第一乘法器的输出端的第一滤波器，所述第一乘法器接收来自所述第一和第二自旋振荡器的输入。

9.如权利要求8所述的信号发生器，还包括：

第三和第四自旋振荡器；

第二混频器，包括第二乘法器和连接到所述第二乘法器的输出端的第二滤波器，所述第二乘法器接收来自所述第三和第四自旋振荡器的输入；以及

第三混频器，包括第三乘法器和连接到所述第三乘法器的输出端的第三滤波器，所述第三乘法器接收来自所述第一滤波器和所述第二滤波器的输入。

10.如权利要求9所述的信号发生器，其中，所述第一、第二和第三滤波器每个都是高通滤波器，且所述第一、第二、第三和第四自旋振荡器每个都包括：

自旋注入层，其接收非自旋极化电流输出，并且提供自旋极化电流输出；以及

设置在所述自旋注入层上的磁进动层，所述磁进动层由磁性导电材料形成，接收来自所述自旋注入层的自旋极化电流，并且响应于该自旋极化电流，所述磁进动层的磁矩发生进动，从而输出振荡信号。

11.一种电路系统，包括权利要求1-10中的任一项所述的信号发生器。