一种用于集成磁控半加器的磁控定向耦合器

前言

磁结构中的自旋波(Spin波）和它们的磁振子(Magnon)可能被用作未来低能量计算设备的数据载体。自旋波可以以低损耗传输信息，并可用于实现基于广泛的非线性自旋波现象的逻辑功能。相干自旋波的相位在数据处理中提供了额外的自由度(超出振幅)，从而减少了逻辑单元的占用，而磁振子结构可以缩小到纳米级，并使用波长为纳米级的自旋波。纳米级单模波导还可以克服磁子散射向更高模式的寄生问题。此外，将结构的尺寸缩小到原子尺度，可能会使自旋波的频率从千兆赫移到太赫兹。

一些基于磁的数据处理设备已经被证明，然而，适合于多毫子级联的全毫子集成电路尚未开发出来。具有可重构功能的纳米尺度自旋波定向耦合器可以构成集成的全毫子电路的核心。然而，尽管自旋波定向耦合器已经在实验中进行了探索，但其毫米尺寸和多模光谱限制了其实际应用。

研究内容

维也纳大学的科学家报道了一种基于钇铁石榴石(YIG)的亚微米单模波导定向耦合器。利用空间分辨微聚焦布里渊光散射光谱，研究了它作为集成微电子电路组件的功能。在线性系统中，定向耦合器具有处理模拟和数字信息的微波滤波器、扇出逻辑门的功率分配器和分频器或信号多路复用器的功能。在非线性情况下，定向耦合器的输出可以通过改变自旋波振幅来控制，这对逻辑门很有用。他们还结合线性和非线性定向耦合器数值构造一个原型的微电子集成电路。将所提出的半加法器(基于30nm技术)与7-nm互补金属氧化物半导体(CMOS)半加法器进行数值对比表明，所提出的器件能耗降低了10倍，器件占用面积也与之相当。

实验方法

实验中亚微米定向耦合器是由85纳米厚YIG薄膜6,7(方法)制作的，由两个宽度为350纳米的自旋波波导组成。在自旋波激发点附近，波导被一个320nm的窄间隙物理地隔开。为了将自旋波从耦合波导传输到“隔离”导管，波导弯曲成12度角，直到达到1.32×m的间隙。u型天线放置在第一个钇铁石榴石波导激发旋转波和2µm的距离第二个波导,以避免自旋波激发两波导。

线性环境下定向耦合器的几何形状和工作原理

定向耦合器的非线性功能

半加法器的工作原理。

定向耦合器的建模与特性

半加法器的工作原理

结论

科学家们制作了一个工作在单模态下的亚微米自旋波定向耦合器，并利用BLS光谱研究了它在线性和非线性态下的功能。通过改变所应用的微波频率或所应用的磁场，自旋波可以被引导到不同的耦合器输出，展示了器件的可重构性。因此，自旋波定向耦合器可以用作处理模拟和数字信息的微波滤波器，用于扇出逻辑门的功率分配器，用于分频器或信号多路复用器，以及用于磁通管的平面互连元件。此外，定向耦合器的输出可以通过改变自旋波振幅来切换，体现了非线性功能。这个半加法器由两个方向耦合器组成:一个作为线性功率分配器，另一个作为非线性开关(实验证明)。所提出的半加法器仅由三根平面磁纳米线和一个放大器组成，具有替代14个晶体管电路的潜力。一种采用30nm技术开发的磁振子半加法器预计将具有与7nm CMOS半加法器相当的碳足迹，而能耗约将比前者低的10倍。

文章来源:

Wang, Q., Kewenig, M., Schneider, M. et al. A magnonic directional coupler for integrated magnonic half-adders. Nat Electron (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-00485-6.