基于自旋电子学器件的太赫兹信号发生器的制作方法

本发明总体上涉及一种基于自旋电子学器件的太赫兹信号发生器。

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。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种基于自旋电子学器件的太赫兹信号发生器，其能够克服基于常规电子学方法的太赫兹信号发生器中的上述问题以及其他问题中的一个或多个。

根据本发明一示范性实施例，一种太赫兹信号发生器可包括：自旋微波振荡器，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；以及倍频链，其包括多个倍频器形成的链路，对所述自旋微波振荡器提供的振荡信号进行倍频，从而输出太赫兹信号。

在一些示例中，所述自旋微波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。

在一些示例中，当所述间隔层由磁性导电材料形成时，所述间隔层的厚度小于其自旋扩散长度。

在一些示例中，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。在一些示例中，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。在一些示例中，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。

在一些示例中，所述太赫兹信号发生器还包括设置在所述自旋微波振荡器与所述倍频链之间的高通滤波器。

在一些示例中，所述多个倍频器包括连接到所述自旋微波振荡器的至少一个高次倍频器，所述高次倍频器的倍频系数大于3。

在一些示例中，所述多个倍频器还包括连接到所述至少一个高次倍频器的多个低次倍频器，所述低次倍频器的倍频系数为2或3。

在一些示例中，所述多个低次倍频器的个数小于等于4。

在一些示例中，所述太赫兹信号发生器还包括插入在所述倍频链的多个倍频器中的至少一个锁相环。

在一些示例中，所述至少一个锁相环插入在所述至少一个高次倍频器与所述多个低次倍频器之间。

在一些示例中，所述太赫兹信号发生器还包括至少一个功率放大器，其设置在所述锁相环与所述多个低次倍频器之间。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的自旋微波振荡器。

图2示出图1的自旋微波振荡器的操作原理。

图3所述图1的自旋微波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太赫兹信号发生器。

图5示出根据本发明另一实施例的太赫兹信号发生器。

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微波振荡器100。图2示出自旋微波振荡器100的操作原理。如图1所示，自旋微波振荡器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太赫兹信号发生器200，其包括图1所示的自旋微波振荡器100。优选地，自旋微波振荡器100提供10GHz以上频率的输出信号。自旋微波振荡器100的输出连接到倍频链210，倍频链210将自旋微波振荡器100的输出倍频到太赫兹范围，并且最终输出太赫兹波。

如图4所示，倍频链210包括连接到自旋微波振荡器100的一级高次倍频器212，高次倍频器212的倍频系数可以为M，其中M大于3。虽然自旋微波振荡器100的输出频率相对于传统的晶体振荡器而言是非常高的，但是其相对于太赫兹而言尚是低的。因此，可以将自旋微波振荡器100的输出直接连接到一级高次倍频器212以实现高的倍频效率。在一些示范性实施例中，高次倍频器212的倍频系数M可以为4、5、6、7、8、9、10或更高。优选地，高次倍频器212的倍频系数M可以为6、8、10等。

当倍频器的倍频系数越高时，其倍频噪声就越大。另一方面，倍频链的级数越高时，倍频噪声也越大。这两方面所引起的倍频噪声都限制了倍频链的最终倍频倍数。在图4所示的实施例中，在倍频链210中还插入有锁相环(PLL)220。锁相环220可以将信号频率锁定到所需频率，例如信号强度最大的主频率，消除大量的谐波噪声，提高信号的稳定性。在一些实施例中，如图4所示，锁相环220可以直接跟随在倍频链210中的高次倍频器212后面，因为自旋微波振荡器100的输出本身可能含有较多噪声，而高次倍频器212又会引入较多倍频噪声。通过将锁相环220直接设置在高次倍频器212后面，可以有效地消除噪声，为后面的工作在高频率范围的倍频器提供良好的输入，从而可提高倍频链210的总级数。

在一些实施例中，还可以将高次倍频器212和锁相环220实现为一个器件，从而同时实现锁相和倍频的功能。这样的锁相倍频器在本领域是已知的，此处不再赘述。

倍频链210还可包括设置在锁相环220后面的多个低次倍频器，例如低次倍频器214、216和218。在图4所示的示例中，低次倍频器214、216和218每个的倍频系数为N，其中N可以为2或3。应理解，低次倍频器214、216和218的倍频系数可以彼此相同，也可以彼此不同。此外，虽然图4示出了在锁相环220后面设置有三个低次倍频器214、216和218，但是倍频链210也可以包括设置在锁相环220后面的其他数目的低次倍频器，例如1个低次倍频器、2个低次倍频器、4个低次倍频器等。优选地，设置在锁相环220后面的低次倍频器的数目不超过4个。低次倍频器214、216和218相对于高次倍频器212而言工作在更高的频率范围，例如它们可采用“太赫兹固态电子器件和电路”(《空间电子技术》，2013年第4期，第48至55页)中所描述的倍频器。

由于太赫兹信号发生器200采用了自旋微波振荡器100作为振荡信号源，其本身能产生频率高达1GHz至50GHz的高频信号，因此太赫兹信号发生器200能通过更简单的倍频电路即可实现太赫兹信号的输出。例如在图4所示的示例中，自旋微波振荡器100可产生大约20GHz的振荡信号输出。在经过高次倍频器212的6倍(M＝6)倍频之后，由锁相环220锁定到120GHz的主频。然后，经由三个低次倍频器214、216和218依次倍频，其中每个低次倍频器的倍频系数为2(N＝2)，即可实现960GHz的输出。

图5示出根据本发明另一实施例的太赫兹信号发生器300。在图5所示的太赫兹信号发生器300中，与图4所示的太赫兹信号发生器200相同的元件用相同的附图标记表示，此处将省略对其的重复描述。

首先参照图2，在太赫兹信号发生器200中可能遇到的一个问题是，信号功率太低，因此不能被连续倍频。这是因为倍频器的效率可能不高，导致在倍频过程中随着信号频率增大而信号功率降低，这甚至会导致后面的倍频器级不能正常工作。为了解决该问题，在图5所示的实施例中，还在倍频链210中插入有功率放大器310。

应注意，在数百GHz频率处的功率放大是困难的。因此，优选地，功率放大器310设置在低次倍频器链214、216、218之前，例如插入在倍频链210中的高次倍频器212与低次倍频器链214、216、218之间。在图5所示的实施例中，功率放大器310插入在锁相环220和倍频器214之间。因此，功率放大器310能针对锁相环220输出的特定频率的信号进行功率放大操作，这有利于针对该特定频率来优化功率放大器310，从而提高放大效率。

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。