本發(fā)明總體上涉及一種基于自旋電子學(xué)器件的太赫茲信號(hào)發(fā)生器。

背景技術(shù)：

太赫茲，即太拉赫茲，一般指的是100GHz到10THz范圍的頻率，相應(yīng)的波長(zhǎng)為3毫米到30微米，在電磁波譜上介于毫米波與紅外光之間，代表了從量子機(jī)制傳輸理論到經(jīng)典機(jī)制傳輸理論的重要轉(zhuǎn)變。太赫茲波的這一特殊位置決定了其豐富的科學(xué)內(nèi)涵，兼具微波毫米波與紅外可見光兩個(gè)區(qū)域的特性，使得其在許多領(lǐng)域都有重大的應(yīng)用前景。

太赫茲信號(hào)的產(chǎn)生方法一般可分為基于光學(xué)的太赫茲信號(hào)發(fā)生方法和基于電子學(xué)的太赫茲信號(hào)發(fā)生方法。基于光學(xué)的太赫茲信號(hào)發(fā)生方法包括使用自由電子激光器、電光晶體太赫茲脈沖源、瞬時(shí)光電導(dǎo)產(chǎn)生太赫茲電磁脈沖等。尤其是隨著激光相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展，近年來(lái)已經(jīng)出現(xiàn)了若干基于光學(xué)方法的太赫茲信號(hào)發(fā)生器件。

相比而言，基于電子學(xué)的太赫茲信號(hào)發(fā)生方法目前仍比較匱乏。一種電子學(xué)方法是使用回波振蕩器(BWO)(也稱為行波管)，其能產(chǎn)生100GHz至1THz的輻射頻率，輸出功率大于10mW，調(diào)諧范圍可達(dá)到中心頻率的30％左右。然而，回波振蕩器的操作需要高電壓和高磁場(chǎng)，因而能耗非常大，并且回波振蕩器的體積較大。因此，這些缺點(diǎn)限制了回波振蕩器的實(shí)際使用。另一種電子學(xué)方法是采用倍頻器。例如，采用成熟的微波技術(shù)將晶體振蕩器的輸出頻率變換到微波的范圍，然后通過(guò)級(jí)聯(lián)的倍頻器鏈將其倍頻到太赫茲的范圍。然而，這樣的電路一般非常復(fù)雜。晶體振蕩器本身的輸出頻率為數(shù)十到上百兆赫茲，一般在200MHz以下，需要復(fù)雜的頻率合成技術(shù)將其變換到微波的范圍。另一方面，由于倍頻鏈中需要過(guò)多的倍頻器級(jí)數(shù)以實(shí)現(xiàn)大的倍頻系數(shù)和高的頻率，將會(huì)在噪聲和輸出功率特性方面遇到困難。由于上述原因，難以得到高質(zhì)量的太赫茲信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于自旋電子學(xué)器件的太赫茲信號(hào)發(fā)生器，其能夠克服基于常規(guī)電子學(xué)方法的太赫茲信號(hào)發(fā)生器中的上述問(wèn)題以及其他問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)。

根據(jù)本發(fā)明一示范性實(shí)施例，一種太赫茲信號(hào)發(fā)生器可包括：自旋微波振蕩器，包括：自旋注入層，其接收非自旋極化電流輸出，并且提供自旋極化電流輸出；以及設(shè)置在所述自旋注入層上的磁進(jìn)動(dòng)層，所述磁進(jìn)動(dòng)層由磁性導(dǎo)電材料形成，接收來(lái)自所述自旋注入層的自旋極化電流，并且響應(yīng)于該自旋極化電流，所述磁進(jìn)動(dòng)層的磁矩發(fā)生進(jìn)動(dòng)，從而輸出振蕩信號(hào)；以及倍頻鏈，其包括多個(gè)倍頻器形成的鏈路，對(duì)所述自旋微波振蕩器提供的振蕩信號(hào)進(jìn)行倍頻，從而輸出太赫茲信號(hào)。

在一些示例中，所述自旋微波振蕩器還包括設(shè)置在所述自旋注入層與所述磁進(jìn)動(dòng)層之間的間隔層，所述間隔層由非磁導(dǎo)電材料或非磁絕緣材料形成。

在一些示例中，當(dāng)所述間隔層由磁性導(dǎo)電材料形成時(shí)，所述間隔層的厚度小于其自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度。

在一些示例中，所述自旋注入層由自旋霍爾效應(yīng)材料或反?；魻栃?yīng)材料形成。在一些示例中，所述自旋霍爾效應(yīng)材料包括：Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y，以及它們的組合；IrMn、PtMn和AuMn；以及Bi₂Se₃、Bi₂Te₃。在一些示例中，所述反?；魻栃?yīng)材料包括：Fe、Co、Ni，以及它們的合金；Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er，以及它們的合金。

在一些示例中，所述太赫茲信號(hào)發(fā)生器還包括設(shè)置在所述自旋微波振蕩器與所述倍頻鏈之間的高通濾波器。

在一些示例中，所述多個(gè)倍頻器包括連接到所述自旋微波振蕩器的至少一個(gè)高次倍頻器，所述高次倍頻器的倍頻系數(shù)大于3。

在一些示例中，所述多個(gè)倍頻器還包括連接到所述至少一個(gè)高次倍頻器的多個(gè)低次倍頻器，所述低次倍頻器的倍頻系數(shù)為2或3。

在一些示例中，所述多個(gè)低次倍頻器的個(gè)數(shù)小于等于4。

在一些示例中，所述太赫茲信號(hào)發(fā)生器還包括插入在所述倍頻鏈的多個(gè)倍頻器中的至少一個(gè)鎖相環(huán)。

在一些示例中，所述至少一個(gè)鎖相環(huán)插入在所述至少一個(gè)高次倍頻器與所述多個(gè)低次倍頻器之間。

在一些示例中，所述太赫茲信號(hào)發(fā)生器還包括至少一個(gè)功率放大器，其設(shè)置在所述鎖相環(huán)與所述多個(gè)低次倍頻器之間。

附圖說(shuō)明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的自旋微波振蕩器。

圖2示出圖1的自旋微波振蕩器的操作原理。

圖3所述圖1的自旋微波振蕩器的輸出信號(hào)的示例。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的太赫茲信號(hào)發(fā)生器。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的太赫茲信號(hào)發(fā)生器。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的自旋微波振蕩器100。圖2示出自旋微波振蕩器100的操作原理。如圖1所示，自旋微波振蕩器100的核心部件是多層膜結(jié)構(gòu)110，其可包括自旋注入層112、間隔層114和磁進(jìn)動(dòng)層116。

自旋注入層112由能產(chǎn)生自旋電流的材料產(chǎn)生。眾所周知，電子具有自旋屬性，例如可分為自旋向上的電子和自旋向下的電子。在普通電流中，自旋向上的電子和自旋向下的電子大約各占一半，因此普通電流是非極化的。當(dāng)非自旋極化的電流經(jīng)過(guò)自旋注入層112時(shí)，其將轉(zhuǎn)變成自旋極化的電流，從而可以將自旋極化的電流注入到將在后面描述的磁進(jìn)動(dòng)層116中。這樣的自旋注入層112可以由自旋霍爾效應(yīng)(SHE)材料或反?；魻栃?yīng)(AHE)材料形成。自旋霍爾效應(yīng)材料的示例包括但不限于諸如Pt、Au、Ta、Pd、Ir、W、Bi、Pb、Hf、Y、以及它們的組合之類的非磁金屬材料；諸如IrMn、PtMn和AuMn之類的反鐵磁材料；以及諸如Bi₂Se₃、Bi₂Te₃之類的拓?fù)浣^緣體材料等。反?；魻栃?yīng)材料的示例包括但不限于諸如Fe、Co、Ni之類的鐵磁金屬，諸如Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er之類的稀土材料，以及這些鐵磁金屬和稀土材料的任意組合等。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，自旋注入層112可由諸如Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe之類的鐵磁金屬或合金形成。

在自旋注入層112由磁材料形成的實(shí)施例中，優(yōu)選地，自旋注入層112的磁矩被固定。在一些實(shí)施例中，自旋注入層112的磁矩可以采用自釘扎方式而被固定。例如，自旋注入層112本身可以采用具有較大矯頑力的硬磁材料形成?；蛘?，自旋注入層112的磁矩可以采用釘扎結(jié)構(gòu)而被固定。例如，可以在自旋注入層112的與間隔層114相反的一側(cè)形成反鐵磁釘扎層來(lái)固定自旋注入層112的磁矩。

間隔層114可由非磁導(dǎo)電材料或非磁絕緣材料形成。當(dāng)自旋注入層112由磁性材料形成時(shí)，間隔層114是必要的，其將自旋注入層112與磁進(jìn)動(dòng)層116彼此磁去耦。當(dāng)自旋注入層112由非磁材料形成時(shí)，間隔層114是可選的。也就是說(shuō)，可以在自旋注入層112和磁進(jìn)動(dòng)層116之間形成間隔層114，也可以在二者之間不形成任何層，使得自旋注入層112和磁進(jìn)動(dòng)層116彼此直接接觸。

當(dāng)間隔層114由非磁導(dǎo)電材料形成時(shí)，自旋注入層112中的自旋極化電流可經(jīng)過(guò)間隔層114到達(dá)磁進(jìn)動(dòng)層116。為了保持自旋極化電流的自旋極化屬性，間隔層114的厚度應(yīng)不超過(guò)其自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度?？捎糜谛纬砷g隔層114的非磁導(dǎo)電材料的示例包括但不限于Cu、Ru、Ag、Au、Pt、Cr、Al、Zn、Pd、Zr、Ti、Sc等。在一些實(shí)施例中，間隔層114優(yōu)選由自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度較長(zhǎng)的材料形成，例如但不限于Cu、Ru等。當(dāng)間隔層114由非磁絕緣材料形成時(shí)，自旋注入層112中的自旋極化電流可隧穿經(jīng)過(guò)間隔層114而到達(dá)磁進(jìn)動(dòng)層116。隧穿電流不會(huì)受到非彈性散射，因而可保持其自旋極化屬性?？捎糜谛纬砷g隔層114的非磁絕緣材料的示例包括但不限于MgO、Al₂O₃、AlN、Ta₂O₅、HfO₂等等。

磁進(jìn)動(dòng)層116由磁性導(dǎo)電材料形成，其可以具有面內(nèi)磁化，也可以具有垂直磁化。當(dāng)來(lái)自自旋注入層112的自旋極化電流進(jìn)入磁進(jìn)動(dòng)層116時(shí)，如圖2所示，其將對(duì)磁進(jìn)動(dòng)層116的磁矩施加一個(gè)自旋轉(zhuǎn)移力矩。如果這個(gè)自旋轉(zhuǎn)移力矩不足以使磁進(jìn)動(dòng)層116的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則在該自旋轉(zhuǎn)移力矩和矯頑力的作用下，磁進(jìn)動(dòng)層116的磁矩將繞原磁化方向產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。磁進(jìn)動(dòng)層116的進(jìn)動(dòng)頻率f可以由下面的公式1確定：

其中γ是回磁比，H是外磁場(chǎng)，H_an是磁晶各向異性場(chǎng)，H_d是退磁場(chǎng)，M_eff是有效飽和磁化強(qiáng)度。由于多層膜結(jié)構(gòu)110的電阻大體上與磁進(jìn)動(dòng)層116的磁化方向角度的余弦成比例，因此，隨著磁進(jìn)動(dòng)層116的磁矩的進(jìn)動(dòng)，多層膜結(jié)構(gòu)110的電阻也將發(fā)生振蕩變化。特別地，當(dāng)磁進(jìn)動(dòng)層116的磁矩進(jìn)動(dòng)半圈，即180度時(shí)，多層膜結(jié)構(gòu)110的電阻就變化一個(gè)周期。所以，多層膜結(jié)構(gòu)110輸出的振蕩信號(hào)的頻率是磁進(jìn)動(dòng)層116的磁矩進(jìn)動(dòng)頻率的2倍。

返回參照?qǐng)D1，如上所述，當(dāng)向多層膜結(jié)構(gòu)110施加一個(gè)直流電流I_dc時(shí)，其將在輸出端子OUT上輸出一個(gè)高頻振蕩信號(hào)。在輸出端子OUT與多層膜結(jié)構(gòu)110之間還可以連接有一個(gè)高通濾波器120，例如其可以是電容器濾波器，以濾除輸出信號(hào)的直流成分，而輸出交流成分。

根據(jù)上面的公式1，多層膜結(jié)構(gòu)110的輸出頻率可因磁進(jìn)動(dòng)層116的材料而有所不同。一般而言，當(dāng)磁進(jìn)動(dòng)層116由軟磁材料形成時(shí)，多層膜結(jié)構(gòu)110的輸出頻率可以容易地達(dá)到1GHz以上，甚至能達(dá)到數(shù)十GHz的水平。當(dāng)磁進(jìn)動(dòng)層116由硬磁材料形成時(shí)，由于硬磁材料比軟磁材料具有更大的磁晶各向異性場(chǎng)Han，因此能容易地實(shí)現(xiàn)10GHz以上的輸出頻率，甚至能輸出高達(dá)50GHz頻率的信號(hào)。也就是說(shuō)，多層膜結(jié)構(gòu)110可以直接產(chǎn)生微波頻率水平的振蕩信號(hào)輸出，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的晶體振蕩器的輸出頻率。當(dāng)將多層膜結(jié)構(gòu)110用作太赫茲源時(shí)，可以避免使用復(fù)雜的頻率合成技術(shù)，而以更簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)太赫茲水平的輸出。

圖3示出多層膜結(jié)構(gòu)110的一示例的輸出信號(hào)，其中多層膜結(jié)構(gòu)110為SiO₂/Pt(8nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/Cu(2nm)/CoCr(10nm)/Ta(6nm)。在該結(jié)構(gòu)中，Pt層用作緩沖層，為上面的IrMn反鐵磁釘扎層提供良好的生長(zhǎng)表面。CoFe層用作自旋注入層112，其磁矩被其下的IrMn反鐵磁釘扎層固定。Cu層用作間隔層114，硬磁材料CoCr用于形成磁進(jìn)動(dòng)層116。如圖3所示，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了大約17.3GHz的輸出頻率。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的太赫茲信號(hào)發(fā)生器200，其包括圖1所示的自旋微波振蕩器100。優(yōu)選地，自旋微波振蕩器100提供10GHz以上頻率的輸出信號(hào)。自旋微波振蕩器100的輸出連接到倍頻鏈210，倍頻鏈210將自旋微波振蕩器100的輸出倍頻到太赫茲范圍，并且最終輸出太赫茲波。

如圖4所示，倍頻鏈210包括連接到自旋微波振蕩器100的一級(jí)高次倍頻器212，高次倍頻器212的倍頻系數(shù)可以為M，其中M大于3。雖然自旋微波振蕩器100的輸出頻率相對(duì)于傳統(tǒng)的晶體振蕩器而言是非常高的，但是其相對(duì)于太赫茲而言尚是低的。因此，可以將自旋微波振蕩器100的輸出直接連接到一級(jí)高次倍頻器212以實(shí)現(xiàn)高的倍頻效率。在一些示范性實(shí)施例中，高次倍頻器212的倍頻系數(shù)M可以為4、5、6、7、8、9、10或更高。優(yōu)選地，高次倍頻器212的倍頻系數(shù)M可以為6、8、10等。

當(dāng)倍頻器的倍頻系數(shù)越高時(shí)，其倍頻噪聲就越大。另一方面，倍頻鏈的級(jí)數(shù)越高時(shí)，倍頻噪聲也越大。這兩方面所引起的倍頻噪聲都限制了倍頻鏈的最終倍頻倍數(shù)。在圖4所示的實(shí)施例中，在倍頻鏈210中還插入有鎖相環(huán)(PLL)220。鎖相環(huán)220可以將信號(hào)頻率鎖定到所需頻率，例如信號(hào)強(qiáng)度最大的主頻率，消除大量的諧波噪聲，提高信號(hào)的穩(wěn)定性。在一些實(shí)施例中，如圖4所示，鎖相環(huán)220可以直接跟隨在倍頻鏈210中的高次倍頻器212后面，因?yàn)樽孕⒉ㄕ袷幤?00的輸出本身可能含有較多噪聲，而高次倍頻器212又會(huì)引入較多倍頻噪聲。通過(guò)將鎖相環(huán)220直接設(shè)置在高次倍頻器212后面，可以有效地消除噪聲，為后面的工作在高頻率范圍的倍頻器提供良好的輸入，從而可提高倍頻鏈210的總級(jí)數(shù)。

在一些實(shí)施例中，還可以將高次倍頻器212和鎖相環(huán)220實(shí)現(xiàn)為一個(gè)器件，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖相和倍頻的功能。這樣的鎖相倍頻器在本領(lǐng)域是已知的，此處不再贅述。

倍頻鏈210還可包括設(shè)置在鎖相環(huán)220后面的多個(gè)低次倍頻器，例如低次倍頻器214、216和218。在圖4所示的示例中，低次倍頻器214、216和218每個(gè)的倍頻系數(shù)為N，其中N可以為2或3。應(yīng)理解，低次倍頻器214、216和218的倍頻系數(shù)可以彼此相同，也可以彼此不同。此外，雖然圖4示出了在鎖相環(huán)220后面設(shè)置有三個(gè)低次倍頻器214、216和218，但是倍頻鏈210也可以包括設(shè)置在鎖相環(huán)220后面的其他數(shù)目的低次倍頻器，例如1個(gè)低次倍頻器、2個(gè)低次倍頻器、4個(gè)低次倍頻器等。優(yōu)選地，設(shè)置在鎖相環(huán)220后面的低次倍頻器的數(shù)目不超過(guò)4個(gè)。低次倍頻器214、216和218相對(duì)于高次倍頻器212而言工作在更高的頻率范圍，例如它們可采用“太赫茲固態(tài)電子器件和電路”(《空間電子技術(shù)》，2013年第4期，第48至55頁(yè))中所描述的倍頻器。

由于太赫茲信號(hào)發(fā)生器200采用了自旋微波振蕩器100作為振蕩信號(hào)源，其本身能產(chǎn)生頻率高達(dá)1GHz至50GHz的高頻信號(hào)，因此太赫茲信號(hào)發(fā)生器200能通過(guò)更簡(jiǎn)單的倍頻電路即可實(shí)現(xiàn)太赫茲信號(hào)的輸出。例如在圖4所示的示例中，自旋微波振蕩器100可產(chǎn)生大約20GHz的振蕩信號(hào)輸出。在經(jīng)過(guò)高次倍頻器212的6倍(M＝6)倍頻之后，由鎖相環(huán)220鎖定到120GHz的主頻。然后，經(jīng)由三個(gè)低次倍頻器214、216和218依次倍頻，其中每個(gè)低次倍頻器的倍頻系數(shù)為2(N＝2)，即可實(shí)現(xiàn)960GHz的輸出。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的太赫茲信號(hào)發(fā)生器300。在圖5所示的太赫茲信號(hào)發(fā)生器300中，與圖4所示的太赫茲信號(hào)發(fā)生器200相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示，此處將省略對(duì)其的重復(fù)描述。

首先參照?qǐng)D2，在太赫茲信號(hào)發(fā)生器200中可能遇到的一個(gè)問(wèn)題是，信號(hào)功率太低，因此不能被連續(xù)倍頻。這是因?yàn)楸额l器的效率可能不高，導(dǎo)致在倍頻過(guò)程中隨著信號(hào)頻率增大而信號(hào)功率降低，這甚至?xí)?dǎo)致后面的倍頻器級(jí)不能正常工作。為了解決該問(wèn)題，在圖5所示的實(shí)施例中，還在倍頻鏈210中插入有功率放大器310。

應(yīng)注意，在數(shù)百GHz頻率處的功率放大是困難的。因此，優(yōu)選地，功率放大器310設(shè)置在低次倍頻器鏈214、216、218之前，例如插入在倍頻鏈210中的高次倍頻器212與低次倍頻器鏈214、216、218之間。在圖5所示的實(shí)施例中，功率放大器310插入在鎖相環(huán)220和倍頻器214之間。因此，功率放大器310能針對(duì)鎖相環(huán)220輸出的特定頻率的信號(hào)進(jìn)行功率放大操作，這有利于針對(duì)該特定頻率來(lái)優(yōu)化功率放大器310，從而提高放大效率。

雖然上面參照示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些特定實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了本公開之后將會(huì)容易地意識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的范圍和思想的情況下，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化和修改。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物來(lái)定義。