LES YIG ET LEURS APPLICATIONS EN HYPERFREQUENCES

Teisserenc Olivier
Janvier 2006
LES YIG ET LEURS APPLICATIONS
EN HYPERFREQUENCES
Master2 Hyperfréquences
Université Montpellier II
1 - Introduction
Le YIG « Yttrium Iron Garnet » est un matériau ferromagnétique qui se présente
généralement sous la forme d'une minuscule bille de moins de 1mm de diamètre et qui entre
en résonance en étant soumis à un champ magnétique intense .Pour modifier la résonance et
donc la fréquence,il suffit de modifier le champ magnétique produit par une ou deux bobines.
Il existe plusieurs sortes d’applications pour les YIG :
Il y à les "oscillateurs" - les"filtres" et les "multiplicateurs" et tous leurs dérivés. Tous
ont un principe de fonctionnement similaire. Ces composants peuvent être utilisés dans des
applications comme, l’analyseur de spectre, vobulateurs, multiplieurs, filtres etc. Ils couvrent
souvent des plages de fréquences importantes (plusieurs octaves) comme par exemple de 2 à
18 GHz ou plus !
Leurs caractéristiques sont extrêmement intéressantes. D'abord la linéarité courant fréquence .Celle-ci est extraordinairement bonne et dans la plus part des cas celle ci est de
l'ordre de 0.05 pour cent. Leur niveau de sortie est également très régulier tout au long de leur
plage de fréquence. Une autre particularité non négligeable est leur faible bruit de phase.
Mais le YIG est aussi utilisé en optique car il est transparent pour l’infrarouges au delà
de 600 nm. Il trouve utilisation dans des lasers à semi-conducteurs dans des rotateurs de
Faraday, dans le stockage de données, et dans diverses applications non linéaires de système
optique.
2 - Historique
Quoique les grenats non magnétiques soient connus de l'homme depuis très longtemps, le
premier grenat Y3Al5O12 (YAG) - aussi non magnétique - a été synthétisé seulement en
1951 ; puis, en 1956, Bertaut et Forrat découvrirent le grenat magnétique Y3Fe5O12. Louis
Néel expliqua le ferromagnétisme que l'on observe dans les divers grenats magnétiques. À
peu près en même temps, Geller et ses collaborateurs aux États-Unis ont élaboré des grenats
ayant des compositions chimiques variées, en vue d'affiner la structure cristallographique et
de mieux comprendre les interactions magnétiques présentes. Au début, on a étudié des
matériaux poly cristallins, et vers 1959 les premiers monocristaux de YIG (Y3Fe5O12) ont
été obtenus. Depuis lors, une meilleure connaissance de la structure microscopique de ces
composants et de leurs propriétés magnétiques a permis de les utiliser dans le domaine des
hyperfréquences.
3 - Matériau
Les ferrites sont des matériaux magnétiques très utilisés dans les techniques de
télécommunications, tant pour le matériel destiné au grand public (radio, télévision) que pour
le matériel professionnel (faisceaux hertziens, radar). Ce sont des céramiques à base d'oxydes,
ce qui les différencie nettement des métaux ou des alliages magnétiques.
Les composés ferromagnésiennes à base d'oxydes, dont l'exemple typique est le grenat de fer
et d'yttrium, de formule chimique Y3Fe5O12 (Yttrium Iron Garnet, ou YIG), sont souvent
appelés les grenats magnétiques. En effet la structure cristallographique de ces oxydes est
identique à celle du grenat naturel grossulaire Ca3Al2Si3O12. En revanche, aucun grenat
magnétique n'existe dans la nature et il doit être préparé en laboratoire. Ces matériaux
magnétiques ont fait l'objet d'études intensives dans le monde entier pour leurs propriétés
magnétiques et magnéto-optiques, recherchées pour diverses applications.
Il n'est pas exagéré de dire que, sans les grenats, certaines applications en hyperfréquences
n'auraient pas été possibles.
4 - Élaboration
Aussi bien pour l'étude des propriétés que pour les applications, le YIG comme la plupart
des matériaux poly cristallins sont préparés par la technique classique des céramiques : Les
matières premières, soit l'oxyde de fer Fe2O3 et l'oxyde d'yttrium Y2O3 sous forme de poudre
fine, sont pesées dans des proportions appropriées, puis mélangées d'une façon très
homogène, et ensuite frittées à une température de 1 200 0C environ. La poudre ainsi obtenue
est pulvérisée afin d'obtenir des grains dont le diamètre est inférieur à un micromètre,
mélangée avec des liants organiques, puis mise en forme à l'aide de matrices. Les pièces
obtenues sont encore frittées à 1 500 0C dans une atmosphère d'oxygène pendant quelques
heures. On obtient des grenats dont la porosité est inférieure à 1%.
5 - Structure cristalline
C'est la structure cristalline qui détermine la nature des interactions magnétiques. La
structure grenat se classe dans l'holoèdre du système cubique appartenant au groupe d'espace I
à 3d-Oh10. Chaque cellule unité contient huit unités de formule A3B2C3O12. Les atomes
métalliques (cations) A, B et C se trouvent dans des sites cristallographiques bien définis,
entourés respectivement de huit, six et quatre oxygènes, et appelés dodécaédrique (24c),
octaédrique (16a) et tétraédrique (24d). On note habituellement ces sites {24c} [16a] (24d)
(fig. 4). Quoique la structure globale d'un grenat ait une symétrie cubique, tous ces polyèdres
d'oxygène sont déformés, par conséquent la symétrie locale d'un site est plus basse et devient
soit trigonale, soit tétragonale. Cet abaissement de la symétrie locale détermine les propriétés
telles que l'anisotropie magnéto cristalline, la magnétostriction et les effets magnéto-optiques.
Il existe de nombreuses combinaisons possibles des cations A, B et C ; les seuls facteurs
imposant une limite semblent être le rayon ionique et l'équilibre des charges dans la formule
moléculaire. Dans le grenat magnétique Y3Fe5O12, écrit sous la forme Y3Fe2F3O12 pour
distinguer les deux sites des ions Fe3+, A est constitué par les ions Y3+, et B et C par les ions
Fe3+.
6 - Oscillateur accordé par bille de YIG
Une bille de YIG est une sphère constituée d'un matériau ferromagnétique (grenat
d'yttrium), qui affiche une résonance lorsque la fréquence du champ magnétique correspond à
la fréquence naturelle de vibration du dipôle électrique interne au matériau.
Bille de YIG dans un oscillateur
La sphère se trouve entre les deux pôles d'un aimant, le champ magnétique existant dans
l'entrefer est modifié en faisant varier le courant dans les bobines. En faisant cela, on fait
varier la fréquence de résonance propre de la sphère dans des proportions qui dépendent du
couplage de la sphère à la cavité. En fonction du matériau, de la taille et du champ appliqué,
la fréquence de résonance peut varier entre 500 MHz et 50 GHz et le coefficient de surtension
à vide vaut environ 1000.
Couplage de la sphère
La sphère est couplée au reste du circuit par l'intermédiaire d'une boucle qui enserre et
positionne la bille dans un plan parallèle au champ magnétique. Cela correspond à la
configuration optimale pour le couplage des lignes de champ magnétique de la bille opérant
dans son mode fondamental et de la boucle.
Modèle équivalent de la bille de YIG et de la boucle
Ici un oscillateur tel qu’on peut le trouver dans le commerce
7 - Résonateur
Ici le YIG est épitaxie sur un substrat. Le type d’épitaxie utilisé est l’épitaxie en phase
liquide. Un substrat qui correspond dans la plupart des cas est le Gd3Ga5O12 (GGG).
La fréquence du résonateur est réglée par un champ magnétique qui traverse le YIG.
Ci dessous deux schémas de résonateur a YIG.
1
layer 1
H1
H
1
ay
layer 3
YIG
Wm
H
Wm
L
ax
ay
ax
layer 2
H2
dielectric substrate
shielding modelling the poles
conducting strip
YIG film
perfect magnetic shielding
(a)
1'
az
-γL
e
e
+γL
(b)
8 - Les multiplicateurs
Ils sont constitués d’un oscillateur comme on a vu précédemment et d’une diode
multiplicatrice. Cette diode est extrêmement petite et ne supporte pas du tout de « statique »
ou autre tension de défaut.
On distingue bien les deux bobines de ce spécimen ouvert,
qui permettent de soumettre la bille de YIG a un champ
magnétique.
Et voici un gros
multiplicateur :
plan
sur
le
9 - Une application optique : Un isolateur
Un isolateur permet de protéger la source de lumière des réflexions parasites; ces
réflexions sont bien connues pour rendre instable 1'emetteur laser. Avec le développement des
communications par fibre optique, ces composants deviennent de plus en plus utiles pour
protéger la diode laser à semiconducteur des réflexions provenant des divers composants
optiques situés tout le long de la liaison.
Un isolateur est composé d’un tronçon non réciproque et de deux polariseurs
correctement orientés comme 1'indique la figure précédente. Dans la section non réciproque
constituée d'un tronçon de YIG le plan de rotation de la lumière tourne de 45" par effet
Faraday. Toute lumière réfléchie aura après un second passage dans ce tronçon une
polarisation croisée avec le polariseur d'entée. L'isolation est donc obtenue.
Un isolateur magnéto-optique fonctionnant a l,3µm ou 1,5µm est constitué d'un cristal
de YIG de 1 à 5mm de long soumis a 1'aide d'un aimant Sm-Co à un champ magnétique
supérieur a 2000Oe qui aligne 1'aimantation parallèlement à la direction de propagation de la
lumière. Les deux extrémités du YIG sont traitées antireflet. Typiquement les pertes totales
sont de 1'ordre de 1 dB et le taux d'isolation est > a 25 dB. Ces dispositifs utilisent du YIG
pour 1'IR et des verres paramagnétiques pour le domaine visible. II existe même maintenant
des isolateurs de structure optique plus complexe qui sont indépendants de la polarisation de
la lumière.