CN111355007B - 一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器及其调控方法 - Google Patents

一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器及其调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器及其调控方法。带通滤波器主体材料由Y3Fe5O12绝缘体材料制成，包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线，其中，所述磁子晶体部由若干个周期性单元组成，每个周期性单元的倾斜角度可变，通过不同角度周期性单元组合构成带通滤波器；自旋波由所述输入天线激发，经输入缓冲部向磁子晶体部输入，磁子晶体部调制自旋波信号，再经所述输出缓冲部传输给输出天线，将滤波后的自旋波信号输出。本发明通过在该带通滤波器上添加外磁场并调节其大小和方向实现了调控自旋波传播性能的功能。

Description

一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器及其调控方法
技术领域
本发明属于纳米磁子晶体波导器件技术领域，基于仿真实验，涉及一种 Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器及其调控方法。
背景技术
自旋波是磁性材料中相互作用的自旋体系，由于各种激发作用而引起的集体运动，是自旋流的一种，由于其由相互作用的耦合自旋的集体运动所携带自旋波自旋流，自旋波自旋流可以传播更长的距离，特别是在绝缘体中，由于在绝缘体中不存在传导电子，所以自旋波自旋流可以传输更长的距离。例如，在绝缘体Y3Fe5O12中，自旋波的衰减的距离可长达几厘米，被认为有可能成为新一代的信息载体。
磁子晶体波导，类似于光子晶体调制光波传输，是一种调控自旋波传输的结构。通常有三部分组成，自旋波激发部分，控制自旋波传输的部分(磁子晶体)以及自旋波接收部分，如今许多研究都集中在自旋波在磁子晶体波导中传输上，为自旋波器件的研究奠定了相当大的基础。当然也出现了许多自旋波器件的研究，例如滤波器件、逻辑器件以及存储器件等，但是这些器件并没有广泛的应用由于其未实现有效的外可控的方法。
发明内容
为解决上述问题，基于仿真实验，本发明的目的在于提供一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器，在具有低阻尼效应的Y3Fe5O12绝缘体材料上构造磁子晶体波导结构，磁子晶体部分倾斜角可调节范围为[0,π]，具有带通滤波功能。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器，包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线，输入缓冲部、磁子晶体部和输出缓冲部均由Y3Fe5O12绝缘体材料制成，所述磁子晶体部由若干个周期性单元组成，每个周期性单元的倾斜角度可以改变，通过不同角度组合的周期性单元构成带通滤波器；自旋波由输入天线激发，经输入缓冲部向磁子晶体部输入，磁子晶体部调制自旋波信号后，经所述输出缓冲部传输给输出天线，将滤波后的自旋波信号输出。
优选地，所述倾斜角度范围为[0,π]。
优选地，所述周期性单元构成的带通滤波器，下限截至频率为3.0GHz，上限截至频率为5.6GHz，中心频率为4.3GHz，带宽为2.6GHz，自旋波传输损耗小于10％。
优选地，所述周期性单元构成的带通滤波器可调节滤波器的中心频带，范围为[0,100GHz]。
优选地，所述周期性单元构成的带通滤波器可调节上下截止频率，范围为 [0,100GHz]。
优选地，所述周期性单元构成的带通滤波器可调节带宽，范围为[0, 100GHz]。
优选地，所述磁子晶体部由45个倾斜角为90°，33个倾斜角为60°，27 个倾斜角为45°，22个倾斜角为30°和14个倾斜角为15°的周期性单元构成，其滤波器下限截至频率为3.0GHz，上限截至频率为5.6GHz，中心频率为 4.3GHz，带宽为2.6GHz，自旋波传输损耗小于10％
基于上述目的，本发明还提供了一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的调控方法，对于包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线的带通滤波器，添加横向或纵向于自旋波传输方向的外磁场。
优选地，对于包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线的带通滤波器，添加正向或负向于自旋波传输方向的外磁场。
优选地，对于包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线的带通滤波器，添加垂直于自旋波传输方向的外磁场。
优选地，对于包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线的带通滤波器，添加外磁场，所述外磁场的方向和强度可调节。
与现有技术相比，本发明带通滤波器结构部分仅有Y3Fe5O12磁性绝缘体材料构成，从而只传输自旋波自旋流；Y3Fe5O12磁子波导结构部分由倾斜角可调控的周期性基本结构单元通过组合构成，倾斜角可调节范围为[0,π]。
本发明使用外磁场调控该带通滤波器的方法，可通过添加横向或纵向于自旋波传输方向的外磁场，正向或负向于自旋波传输方向的外磁场，垂直于自旋波传输方向的外磁场，或调节外磁场的方向和强度。
本发明中使用Y3Fe5O12绝缘体材料上构造的磁子晶体波导结构和通过添加并调控外磁场的方法相结合，实现外界方法调节带通滤波器的通带中心频率、带宽、上下截至频率，可实现0-100GHz范围的调控。
本发明中自旋波的传输滤波频带可以通过外加磁场的方式改变，而无需改变具体的磁子晶体结构，具有操作方便，并易于与现有电子工业技术结合的优点。
本发明结构以Y3Fe5O12磁性绝缘材料为媒介，自旋波为能量和信息的载体，该自旋波滤波器结构与外场方法的结合可根据要求改变通频段，传输效率高，衰减小，易于集成与扩展，易于与现有电子芯片技术相结合。
本发明的使用Y3Fe5O12绝缘体材料上构造的磁子晶体波导结构和使用外磁场调控该滤波器的方法，适用于0-100GHz内的自旋波滤波，无论是短波长的自旋波还是长波长的自旋波均可用于该滤波器滤波除噪等。
附图说明
图1为本发明实施例的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的结构示意图；
图2为本发明实施例的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的能带图及不同频率的传输损耗图；
图3为本发明实施例的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的添加外磁场相结合的自旋波带通滤波器结构的能带图；
图4为本发明实施例的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器添加自旋波传输方向的外磁场的通带频率变化规律图；
图5为本发明实施例的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的添加自旋波传输方向和垂直与传输方向的两个外磁场的通带频率变化规律图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例
参见图1，所示为本发明实施例的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器，包括输入天线10、输入缓冲部11、磁子晶体部30、输出缓冲部21和输出天线 20，其中，
输入缓冲部11、磁子晶体部30、输出缓冲部21在Y3Fe5O12绝缘体材料上构造，并由若干个周期性单元31组成，每个周期性单元31的倾斜角度θ不同，通过不同角度组合的周期性单元31构成带通滤波器；自旋波经输入天线10激发，经输入缓冲部11向磁子晶体部30输入，磁子晶体部30调制自旋波信号，经输出缓冲部21传输给输出天线20，最终将滤波后的自旋波信号输出。
具体实施例中倾斜角度范围为[0,π]。
周期性单元31构成的带通滤波器，下限截至频率为3.0GHz，上限截至频率为5.6GHz，中心频率为4.3GHz，带宽为2.6GHz，自旋波传输损耗小于10％。
周期性单元31构成的带通滤波器可调节滤波器的中心频带，范围为 [0,100GHz]；可调节上下截止频率，范围为[0,100GHz]；可调节带宽，范围为 [0,100GHz]。
磁子晶体部30由45个倾斜角为90°，33个倾斜角为60°，27个倾斜角为45°，22个倾斜角为30°和14个倾斜角为15°的周期性单元31构成，其滤波器下限截至频率为3.0GHz，上限截至频率为5.6GHz，中心频率为4.3GHz，带宽为2.6GHz，自旋波传输损耗小于10％
基于上述目的，本发明还提供了一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波调控方法，对于包括输入天线10、输入缓冲部11、磁子晶体部30、输出缓冲部21和输出天线20的带通滤波器，即上述带通滤波器，添加横向或纵向于自旋波传输方向的外磁场。
具体实施例中
对于包括输入天线10、输入缓冲部11、磁子晶体部30、输出缓冲部21和输出天线20的带通滤波器，添加正向或负向于自旋波传输方向的外磁场，或垂直于自旋波传输方向的外磁场；或添加多个外磁场，外磁场的方向和强度可调节。
带通滤波器的整体结构的长度为2000nm，宽度为30nm，厚度为10nm。其中，输入缓冲部11和输出缓冲部21长度分别为500nm，磁子晶体部总长为 1000nm。
图2示出了带通滤波器的能带图，图2(b)中色彩表示自旋波不同频率传输的强度，该图在未添加外磁场的情况下测得，从图中可见，该带通滤波器结构实现了基本的带通滤波器功能，上下截止频率分别为5.6GHz和3.0GHz，中心频率为4.3GHz，带宽为2.6GHz。图2(c)示出了在通带范围内的频率和禁带范围内的几个自旋波频率，通带范围内的自旋波频率衰减保持带10％范围内，禁带范围内的自旋波在未到达接收端就已经严重衰减。图2很好地验证了本带通滤波器的可行性。
图3是沿着自旋波传播的负方向添加的1.75x104Oe的外磁场，从图中可以看出，该带通滤波器的中心频率被调制到53.3GHz，上下截止频率调制到 52.0GHz和54.6GHz，带宽依然是2.6GHz。通过验证，无论是长波长自旋波还是短波长自旋波均可使用该自旋波带通滤波器滤波，通过外磁场可以起到外界调节基本的磁子晶体波导带通滤波器的各个参数的作用，从而实现真正的自旋波带通滤波器。
图4示出了在磁子晶体波导带通滤波器添加沿着自旋波传输方向的外磁场实验数据做出的通带频率变化规律，UCOF/LCOF表示该滤波器的上/下截止频率，从图中可以看出随着外磁场场强的增加，上/下截止频率也不断增加，上下截止频率中间是该滤波器的带宽，通过图4可看出，带宽并未改变。图4很好的示出了添加沿着自旋波方向的外磁场可以很好的调控该滤波器的上/下截止频率而不改变带宽。
图5示出了在磁子晶体部分添加自旋波传输方向和垂直与传输方向的两个外磁场实验数据做出的通带频率变化规律，UCOF1/LCOF1表示该滤波器的第一个通带的上/下截止频率，UCOF2/LCOF2表示该滤波器的第二个通带的上/ 下截止频率。该图是在自旋波传输方向上添加3000Oe的外磁场，然后改变垂直方向的外磁场的到通带频率变化规律，从图5中可以看出，该滤波器的上/ 下截止频率随着外磁场的增大而增大，而带宽随着外磁场的增大而减小。图5 很好地示出了通过不同方向和强度的外磁场相结合可以改变该滤波器的带宽和中心通带频率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器，其特征在于，包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线，输入缓冲部、磁子晶体部和输出缓冲部均由Y3Fe5O12绝缘体材料制成，所述磁子晶体部由若干个周期性单元组成，均位于同一水平面上，每个周期性单元在水平面上设有不同倾斜角度的开口，倾斜角度范围为[0,π]，从输入天线至输出天线的方向上，各周期性单元按倾斜角度依次减小顺序排列，构成带通滤波器；自旋波由输入天线激发，经输入缓冲部向磁子晶体部输入，磁子晶体部调制自旋波信号后，经所述输出缓冲部传输给输出天线，将滤波后的自旋波信号输出。
2.根据权利要求1所述的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器，其特征在于，所述周期性单元构成的带通滤波器可调节滤波器的中心频带，范围为[0, 100GHz]。
3.根据权利要求1所述的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器，其特征在于，所述周期性单元构成的带通滤波器可调节上下截止频率，范围为[0, 100GHz]。
4.根据权利要求1所述的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器，其特征在于，所述周期性单元构成的带通滤波器可调节带宽，范围为[0, 100GHz]。
5.根据权利要求1所述的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器，其特征在于，所述磁子晶体部由45个倾斜角为90°，33个倾斜角为60°，27个倾斜角为45°，22个倾斜角为30°和14个倾斜角为15°的周期性单元构成，其滤波器下限截至频率为3.0GHz，上限截至频率为5.6GHz，中心频率为4.3GHz，带宽为2.6GHz，自旋波传输损耗小于10%。
6.一种权利要求1-5之一所述的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的调控方法，其特征在于，对于包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线的带通滤波器，添加横向或纵向于自旋波传输方向的外磁场。
7.根据权利要求6所述的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的调控方法，其特征在于，对于包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线的带通滤波器，添加正向或负向于自旋波传输方向的外磁场。
8.根据权利要求6所述的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的调控方法，其特征在于，对于包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线的带通滤波器，添加垂直于自旋波传输方向的外磁场。
9.根据权利要求6所述的Y3Fe5O12磁子波导自旋波带通滤波器的调控方法，其特征在于，对于包括输入天线、输入缓冲部、磁子晶体部、输出缓冲部和输出天线的带通滤波器，添加外磁场，所述外磁场的方向和强度可调节。
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