[发明专利]基于二氧化钒的光学和射频开关

说明书

提供了用于电磁辐射的开关，包括射频开关和光学开关。还提供了使用这些开关的方法。这些开关包含包括多个连接的具有相同晶体结构和取向的晶体VOsubgt;2/subgt;畴的高质量VOsubgt;2/subgt;层。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月7日提交的美国专利申请No.15/451,745的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

政府权利声明

本发明是在海军研究办公室授予的N00014-13-1-0183的政府支持下进行的。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

由于相变导致相关氧化物材料的材料特性(诸如电导率和光学常数)发生实质变化，相关氧化物材料已经被研究作为电子和光学应用器件(诸如开关、传感器和调制器)的候选者。与具有比室温更低或高得多的相变温度的其它相关氧化物材料相比，二氧化钒(VO₂)在68℃时表现出从单斜晶绝缘相到四方金属相的尖锐的绝缘体到金属转变(IMT)。相对低的相变温度使得人们能够利用电气开关器件的转变特性。但是，VO₂膜的不完美晶体质量限制了高性能的基于VO₂的器件的发展。单晶块体VO₂或外延VO₂薄膜由于相变期间的大的弹性应力而遭受断裂及其物理性质的退化。另外，外延膜中的错配应变导致不可靠的IMT特性或使IMT在低于室温时发生。由于VO₂生长中的这些困难，多晶或非晶VO₂薄膜已经被用于大多数应用器件。

发明内容

提供了用于电磁辐射的开关，包括射频开关和光学开关。还提供了使用这些开关的方法。

用于电磁辐射的开关的一个实施例包括：电磁辐射波导；与电磁辐射波导电连通或光连通的VO₂层；以及外部激励源，该外部激励源被配置成将引发绝缘体到金属相变的外部激励施加到VO₂层。开关中的VO₂层包括多个连接的具有相同的晶体结构和外延取向的晶体VO₂畴。

开关包括射频开关和光学开关。这些开关既包括分路(shunt)开关又包括串联(series)开关。在分路开关的实施例中，VO₂与接地线以及电磁辐射波导电连通，使得当VO₂处于其金属状态时电磁信号短路到地。通过当VO₂处于绝缘状态时沿着波导传输信号，以及将来自外部激励源的外部激励施加到VO₂，可以使用分路开关来开关电磁信号，其中外部激励引发VO₂经历绝缘体到金属相变，从而衰减信号沿着波导的传输。

在串联开关的实施例中，电磁辐射波导是包括第一部分和第二部分的不连续波导，其中第一部分通过VO₂层连接到第二部分。通过当VO₂处于绝缘状态时沿着波导的第一部分传输信号，以及将来自外部激励源的外部激励施加到VO₂，可以使用串联开关来开关电磁信号，其中外部激励引发VO₂经历绝缘体到金属相变，从而增加从波导的第一部分传输到波导的第二部分的信号的传输。

在光学开关的实施例中，电磁辐射波导是光波导，并且VO₂层是与光波导光连通的。通过当VO₂处于其绝缘状态时沿着光波导传输光信号，以及将来自外部激励源的外部激励施加到VO₂，可以使用串联开关来开关光信号，其中外部激励引发VO₂经历绝缘体到金属相变，从而增加光信号沿着光波导的传输。

通过阅读以下附图、详细说明和所附权利要求，本发明的其它主要特征和优点对于本领域技术人员而言将变得清楚。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的例示性实施例，其中相同的数字表示相同的元件。