基于自旋電子學器件的太赫茲信號發生器的制作方法

本發明總體上涉及一種基于自旋電子學器件的太赫茲信號發生器。

背景技術：

太赫茲，即太拉赫茲，一般指的是100GHz到10THz范圍的頻率，相應的波長為3毫米到30微米，在電磁波譜上介于毫米波與紅外光之間，代表了從量子機制傳輸理論到經典機制傳輸理論的重要轉變。太赫茲波的這一特殊位置決定了其豐富的科學內涵，兼具微波毫米波與紅外可見光兩個區域的特性，使得其在許多領域都有重大的應用前景。

太赫茲信號的產生方法一般可分為基于光學的太赫茲信號發生方法和基于電子學的太赫茲信號發生方法。基于光學的太赫茲信號發生方法包括使用自由電子激光器、電光晶體太赫茲脈沖源、瞬時光電導產生太赫茲電磁脈沖等。尤其是隨著激光相關領域的進展，近年來已經出現了若干基于光學方法的太赫茲信號發生器件。

相比而言，基于電子學的太赫茲信號發生方法目前仍比較匱乏。一種電子學方法是使用回波振蕩器(BWO)(也稱為行波管)，其能產生100GHz至1THz的輻射頻率，輸出功率大于10mW，調諧范圍可達到中心頻率的30％左右。然而，回波振蕩器的操作需要高電壓和高磁場，因而能耗非常大，并且回波振蕩器的體積較大。因此，這些缺點限制了回波振蕩器的實際使用。另一種電子學方法是采用倍頻器。例如，采用成熟的微波技術將晶體振蕩器的輸出頻率變換到微波的范圍，然后通過級聯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雜。晶體振蕩器本身的輸出頻率為數十到上百兆赫茲，一般在200MHz以下，需要復雜的頻率合成技術將其變換到微波的范圍。另一方面，由于倍頻鏈中需要過多的倍頻器級數以實現大的倍頻系數和高的頻率，將會在噪聲和輸出功率特性方面遇到困難。由于上述原因，難以得到高質量的太赫茲信號。

技術實現要素：

本發明的目的之一在于提供一種基于自旋電子學器件的太赫茲信號發生器，其能夠克服基于常規電子學方法的太赫茲信號發生器中的上述問題以及其他問題中的一個或多個。

根據本發明一示范性實施例，一種太赫茲信號發生器可包括：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；以及設置在所述自旋注入層上的磁進動層，所述磁進動層由磁性導電材料形成，接收來自所述自旋注入層的自旋極化電流，并且響應于該自旋極化電流，所述磁進動層的磁矩發生進動，從而輸出振蕩信號；以及倍頻鏈，其包括多個倍頻器形成的鏈路，對所述自旋微波振蕩器提供的振蕩信號進行倍頻，從而輸出太赫茲信號。

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

在一些示例中，當所述間隔層由磁性導電材料形成時，所述間隔層的厚度小于其自旋擴散長度。

在一些示例中，所述自旋注入層由自旋霍爾效應材料或反常霍爾效應材料形成。在一些示例中，所述自旋霍爾效應材料包括：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，所述反常霍爾效應材料包括：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，所述太赫茲信號發生器還包括設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，所述多個倍頻器包括連接到所述自旋微波振蕩器的至少一個高次倍頻器，所述高次倍頻器的倍頻系數大于3。

在一些示例中，所述多個倍頻器還包括連接到所述至少一個高次倍頻器的多個低次倍頻器，所述低次倍頻器的倍頻系數為2或3。

在一些示例中，所述多個低次倍頻器的個數小于等于4。

在一些示例中，所述太赫茲信號發生器還包括插入在所述倍頻鏈的多個倍頻器中的至少一個鎖相環。

在一些示例中，所述至少一個鎖相環插入在所述至少一個高次倍頻器與所述多個低次倍頻器之間。

在一些示例中，所述太赫茲信號發生器還包括至少一個功率放大器，其設置在所述鎖相環與所述多個低次倍頻器之間。

附圖說明

圖1示出根據本發明一實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的示例。

圖4示出根據本發明一實施例的太赫茲信號發生器。

圖5示出根據本發明另一實施例的太赫茲信號發生器。

具體實施方式

下面將參照附圖來描述本發明的示范性實施例。

圖1示出根據本發明一實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構110，其可包括自旋注入層112、間隔層114和磁進動層116。

自旋注入層112由能產生自旋電流的材料產生。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。當非自旋極化的電流經過自旋注入層112時，其將轉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動層116中。這樣的自旋注入層112可以由自旋霍爾效應(SHE)材料或反常霍爾效應(AHE)材料形成。自旋霍爾效應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之類的拓撲絕緣體材料等。反常霍爾效應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。在一些優選實施例中，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由磁材料形成的實施例中，優選地，自旋注入層112的磁矩被固定。在一些實施例中，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。或者，自旋注入層112的磁矩可以采用釘扎結構而被固定。例如，可以在自旋注入層112的與間隔層114相反的一側形成反鐵磁釘扎層來固定自旋注入層112的磁矩。

間隔層114可由非磁導電材料或非磁絕緣材料形成。當自旋注入層112由磁性材料形成時，間隔層114是必要的，其將自旋注入層112與磁進動層116彼此磁去耦。當自旋注入層112由非磁材料形成時，間隔層114是可選的。也就是說，可以在自旋注入層112和磁進動層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和磁進動層116彼此直接接觸。

當間隔層114由非磁導電材料形成時，自旋注入層112中的自旋極化電流可經過間隔層114到達磁進動層116。為了保持自旋極化電流的自旋極化屬性，間隔層114的厚度應不超過其自旋擴散長度。可用于形成間隔層114的非磁導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。在一些實施例中，間隔層114優選由自旋擴散長度較長的材料形成，例如但不限于Cu、Ru等。當間隔層114由非磁絕緣材料形成時，自旋注入層112中的自旋極化電流可隧穿經過間隔層114而到達磁進動層116。隧穿電流不會受到非彈性散射，因而可保持其自旋極化屬性。可用于形成間隔層114的非磁絕緣材料的示例包括但不限于MgO、Al₂O₃、AlN、Ta₂O₅、HfO₂等等。

磁進動層116由磁性導電材料形成，其可以具有面內磁化，也可以具有垂直磁化。當來自自旋注入層112的自旋極化電流進入磁進動層116時，如圖2所示，其將對磁進動層116的磁矩施加一個自旋轉移力矩。如果這個自旋轉移力矩不足以使磁進動層116的磁矩發生翻轉，則在該自旋轉移力矩和矯頑力的作用下，磁進動層116的磁矩將繞原磁化方向產生進動。磁進動層116的進動頻率f可以由下面的公式1確定：

其中γ是回磁比，H是外磁場，H_an是磁晶各向異性場，H_d是退磁場，M_eff是有效飽和磁化強度。由于多層膜結構110的電阻大體上與磁進動層116的磁化方向角度的余弦成比例，因此，隨著磁進動層116的磁矩的進動，多層膜結構110的電阻也將發生振蕩變化。特別地，當磁進動層116的磁矩進動半圈，即180度時，多層膜結構110的電阻就變化一個周期。所以，多層膜結構110輸出的振蕩信號的頻率是磁進動層116的磁矩進動頻率的2倍。

返回參照圖1，如上所述，當向多層膜結構110施加一個直流電流I_dc時，其將在輸出端子OUT上輸出一個高頻振蕩信號。在輸出端子OUT與多層膜結構110之間還可以連接有一個高通濾波器120，例如其可以是電容器濾波器，以濾除輸出信號的直流成分，而輸出交流成分。

根據上面的公式1，多層膜結構110的輸出頻率可因磁進動層116的材料而有所不同。一般而言，當磁進動層116由軟磁材料形成時，多層膜結構110的輸出頻率可以容易地達到1GHz以上，甚至能達到數十GHz的水平。當磁進動層116由硬磁材料形成時，由于硬磁材料比軟磁材料具有更大的磁晶各向異性場Han，因此能容易地實現10GHz以上的輸出頻率，甚至能輸出高達50GHz頻率的信號。也就是說，多層膜結構110可以直接產生微波頻率水平的振蕩信號輸出，遠遠高于常規的晶體振蕩器的輸出頻率。當將多層膜結構110用作太赫茲源時，可以避免使用復雜的頻率合成技術，而以更簡單的電路實現太赫茲水平的輸出。

圖3示出多層膜結構110的一示例的輸出信號，其中多層膜結構110為SiO₂/Pt(8nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/Cu(2nm)/CoCr(10nm)/Ta(6nm)。在該結構中，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用于形成磁進動層116。如圖3所示，該結構實現了大約17.3GHz的輸出頻率。

圖4示出根據本發明一實施例的太赫茲信號發生器200，其包括圖1所示的自旋微波振蕩器100。優選地，自旋微波振蕩器100提供10GHz以上頻率的輸出信號。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的一級高次倍頻器212，高次倍頻器212的倍頻系數可以為M，其中M大于3。雖然自旋微波振蕩器100的輸出頻率相對于傳統的晶體振蕩器而言是非常高的，但是其相對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高次倍頻器212以實現高的倍頻效率。在一些示范性實施例中，高次倍頻器212的倍頻系數M可以為4、5、6、7、8、9、10或更高。優選地，高次倍頻器212的倍頻系數M可以為6、8、10等。

當倍頻器的倍頻系數越高時，其倍頻噪聲就越大。另一方面，倍頻鏈的級數越高時，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。在圖4所示的實施例中，在倍頻鏈210中還插入有鎖相環(PLL)220。鎖相環220可以將信號頻率鎖定到所需頻率，例如信號強度最大的主頻率，消除大量的諧波噪聲，提高信號的穩定性。在一些實施例中，如圖4所示，鎖相環220可以直接跟隨在倍頻鏈210中的高次倍頻器212后面，因為自旋微波振蕩器100的輸出本身可能含有較多噪聲，而高次倍頻器212又會引入較多倍頻噪聲。通過將鎖相環220直接設置在高次倍頻器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的總級數。

在一些實施例中，還可以將高次倍頻器212和鎖相環220實現為一個器件，從而同時實現鎖相和倍頻的功能。這樣的鎖相倍頻器在本領域是已知的，此處不再贅述。

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

由于太赫茲信號發生器200采用了自旋微波振蕩器100作為振蕩信號源，其本身能產生頻率高達1GHz至50GHz的高頻信號，因此太赫茲信號發生器200能通過更簡單的倍頻電路即可實現太赫茲信號的輸出。例如在圖4所示的示例中，自旋微波振蕩器100可產生大約20GHz的振蕩信號輸出。在經過高次倍頻器212的6倍(M＝6)倍頻之后，由鎖相環220鎖定到120GHz的主頻。然后，經由三個低次倍頻器214、216和218依次倍頻，其中每個低次倍頻器的倍頻系數為2(N＝2)，即可實現960GHz的輸出。

圖5示出根據本發明另一實施例的太赫茲信號發生器300。在圖5所示的太赫茲信號發生器300中，與圖4所示的太赫茲信號發生器200相同的元件用相同的附圖標記表示，此處將省略對其的重復描述。

首先參照圖2，在太赫茲信號發生器200中可能遇到的一個問題是，信號功率太低，因此不能被連續倍頻。這是因為倍頻器的效率可能不高，導致在倍頻過程中隨著信號頻率增大而信號功率降低，這甚至會導致后面的倍頻器級不能正常工作。為了解決該問題，在圖5所示的實施例中，還在倍頻鏈210中插入有功率放大器310。

應注意，在數百GHz頻率處的功率放大是困難的。因此，優選地，功率放大器310設置在低次倍頻器鏈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所示的實施例中，功率放大器310插入在鎖相環220和倍頻器214之間。因此，功率放大器310能針對鎖相環220輸出的特定頻率的信號進行功率放大操作，這有利于針對該特定頻率來優化功率放大器310，從而提高放大效率。

雖然上面參照示范性實施例描述了本發明，但是本發明不限于這些特定實施例。本領域技術人員在閱讀了本公開之后將會容易地意識到，在不脫離本發明的范圍和思想的情況下，可以進行形式和細節上的各種變化和修改。本發明的范圍僅由所附權利要求及其等價物來定義。