JP4158098B2 - 光スイッチの駆動方法及びこれを用いた駆動回路 - Google Patents

光スイッチの駆動方法及びこれを用いた駆動回路 Download PDF

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

【0001】
本発明は、キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法に関し、特に高速駆動が可能な光スイッチの駆動及びこれを用いた駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在の通信ネットワークであるLAN(Local Area Network)やWAN(Wide Area Network)等では、通常電気信号をもって情報を伝送する通信方式となっている。
【0003】
光信号をもって情報を伝送する通信方法は大量のデータを伝送する基幹ネットワークやその他一部のネットワークで用いられているだけである。また、これらのネットワークは”point to point”の通信であり、”フォトニックネットワーク”と言える通信網までは発達していないのが現状である。
【0004】
このような”フォトニックネットワーク”を実現するためには、電気信号の送信先を切り換えるルータやスイッチングハブ等といった装置と同様の機能を有する”光ルータ”や”光スイッチングハブ”等が必要になる。
【0005】
また、このような装置では高速に伝送経路を切り換える光スイッチが必要になり、ニオブ酸リチウムやPLZT(Lead Lanthanum Zirconate Titanate)等の強誘電体を用いたものや、半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換えるものが存在する。
【0006】
さらに、最近では平面ガラス光導波路上に集積したヒーターで発熱させ、当該ヒータが形成され部分の屈折率を変化させることにより、スイッチング動作を行わせるものもある。
【0007】
そして、従来の半導体に光路導波路を形成し半導体中にキャリアを注入して屈折率を変化させ光信号の伝送経路を切り換える光スイッチに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【0008】
【特許文献1】
特開平6−130236号公報
【特許文献2】
特開平6−289339号公報
【非特許文献1】
「2x2 Optical Waveguide Switch with Bow-Tie Electrode Based on Carrier-Injection Total Internal Reflection in SiGe Alloy」, Baojun Li and Soo-Jin Chua, p206-p208, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.13, NO.3, MARCH 2001
【0009】
図4及び図5はこのような従来の光スイッチの一例を示す平面図及び断面図である。図4において1はGaAsやInP等の半導体の基板、2は”X字状”の光導波路を有するn型の光導波路層、3は電子が注入されるN電極、4は正孔が注入されるP電極である。
【0010】
図4において基板1上には”X字状”の光導波路を有する光導波路層2が形成され、図4中”CP01”に示す”X字状”の光導波路の交差部分には長方形状のN電極3が形成される。また、図4中”CP01”に示す”X字状”の光導波路の交差部分の近傍であってN電極3に並行して長方形状のP電極4が形成される。
【0011】
一方、図5は図4中”A−A’”における断面図であり、1,2,3及び4は図4と同一符号を付してあり、5はp型のGaAs等のコンタクト層、6はn型のAlGaAs等のクラッド層、7はn型のGaAsやInGaAs等のキャップ層、8はSiO 等の絶縁膜、9a,9b及び9cは絶縁層であるポリイミド層、10a及び10bは配線パターンである。
【0012】
基板1上にはコンタクト層5、クラッド層6及び光導波路層2が台形状になるように順次形成され、光導波路層2上の一部にはキャップ層7が形成される。
【0013】
基板1、コンタクト層5、クラッド層6及び光導波路層2上であってキャップ層7及びコンタクト層5の一部以外には絶縁膜8が形成される。また、キャップ層7及びコンタクト層5の一部にN電極3及びP電極4がそれぞれ形成される。
【0014】
絶縁膜8上にはポリイミド層9a,9b及び9cがそれぞれ形成され、配線パターン10aはポリイミド層9a上に形成されると共にN電極3に接続され、配線パターン10bはポリイミド層9c上に形成されると共にP電極4に接続される。
【0015】
ここで、図4に示す従来例の動作を図5を参照しながら説明する。光スイッチが”OFF”の場合、N電極3及びP電極4には電流が供給されない。
【0016】
このため、図4中”CP01”に示す”X字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図4中”PI01”に示す入射端から入射した光信号は図4中”CP01”に示す交差部分を直進して図4中”PO01”に示す出射端から出射される。
【0017】
一方、光スイッチが”ON”の場合、N電極3から電子が注入され、P電極4からは正孔が注入され、このため、図4中”CP01”に示す交差部分にはキャリア(電子、正孔)が注入される。
【0018】
このため、プラズマ効果によって図4中”CP01”に示す”X字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図4中”PI01”に示す入射端から入射した光信号は図4中”CP01”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図4中”PO02”に示す出射端から出射される。
【0019】
この結果、電極に電流を供給して”X字状”の光導波路の交差部分にキャリア(電子、正孔)を注入して交差部分の屈折率を制御することにより、光信号の出射される位置を制御、言い換えれば、光信号の伝播経路を切り換えることが可能になる。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図4及び図5に示す従来例では、図4中”CP01”に示す交差部分へのキャリアの注入効率を高くするためコンタクト層5とクラッド層6によって形成されるPN接合のダイオード構造を用いており、図示しない駆動回路から駆動電流がN電極3及びP電極4に印加されることになる。
【0021】
”ナノ秒”程度の速度でこのようなPN接合のダイオード構造の構成を有する光スイッチを高速動作させようとした場合には、PN接合のダイオード構造の”ON”時の容量値と、”OFF”時の容量値との容量値の差が大きく異なることに起因する駆動電流の反射により、図4中”CP01”に示す光スイッチの交差部分に有効にキャリアを注入できなくなり高速動作が困難であると言った問題点があった。
【0022】
例えば、図6及び図7は光スイッチのPN接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性及び電圧−容量特性を示す特性曲線図である。図6中”CH11”に示す特性曲線から図6中”SC11(0mA)”に示す順方向電流をPN接合のダイオードに印加すれば、PN接合のダイオードの順方向電圧は図6中”SV11(0V)”に示す値となると共に図4中”CP01”に示す光スイッチの交差部分にはキャリアが注入されないため光スイッチは”OFF”状態になる。
【0023】
一方、図6中”CH11”に示す特性曲線から図6中”SC12”に示す順方向電流をPN接合のダイオードに印加すれば、PN接合のダイオードの順方向電圧は図6中”SV12”に示す値となると共に図4中”CP01”に示す光スイッチの交差部分にキャリアが注入されるため光スイッチは”ON”状態になる。
【0024】
この時、図7中”CH21”に示す特性曲線からPN接合のダイオード構造の”ON”時の容量値と、”OFF”時の容量値との容量値の差は図7中”DC21”に示すようになり、この容量値差に起因する駆動電流の反射により、図4中”CP01”に示す光スイッチの交差部分に有効にキャリアを注入できなくなってしまう。
従って本発明が解決しようとする課題は、高速駆動が可能な光スイッチの駆動方法及びこれを用いた駆動回路を実現することにある。
【0025】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法であって、
光信号が一方から入射され途中で2つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する1対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにPN接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをON状態にし、前記光スイッチに前記光スイッチがON状態に遷移しない程度の数100μA〜数10mAの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをOFF状態にすることにより、”ON/OFF”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【0026】
請求項2記載の発明は、
キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路において、
光信号が一方から入射され途中で2つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する1対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにPN接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをON状態にし、前記光スイッチに前記光スイッチがON状態に遷移しない程度の数100μA〜数10mAの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをOFF状態にすることにより、”ON/OFF”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図1は光スイッチ及び本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路の一実施例を示す構成ブロック図である。但し、図1に示す光スイッチの平面図は図4に示す平面図と同じであるため説明及び記載は省略する。
【0034】
図1において1,2,3,4,5,6,7及び8は図5と同一符号を付してあり、50は1〜8で構成される光スイッチ、51は本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路である。
【0035】
駆動回路51の入力端子には図1中”CS31”に示すような制御信号が入力され、図1中”DC31”及び”DC32”に示す駆動回路51の出力である駆動電流はN電極3及びP電極4にそれぞれ印加される。
【0036】
ここで、図1に示す実施例の動作を図2及び図3を用いて説明する。図2及び図3は光スイッチ50のPN接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性及び電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【0037】
ここで、図1に示す実施例の動作を図4を参照しながら説明する。光スイッチが”OFF”の場合、N電極3及びP電極4には電流が供給されない。
【0038】
このため、図4中”CP01”に示す”X字状”の光導波路の交差部分の屈折率の変化は生じないため、例えば、図4中”PI01”に示す入射端から入射した光信号は図4中”CP01”に示す交差部分を直進して図4中”PO01”に示す出射端から出射される。
【0039】
一方、光スイッチが”ON”の場合、N電極3から電子が注入され、P電極4からは正孔が注入され、このため、図4中”CP01”に示す交差部分にはキャリア(電子、正孔)が注入される。
【0040】
このため、プラズマ効果によって図4中”CP01”に示す”X字状”の光導波路の交差部分の屈折率が低くなるように変化するため、例えば、図4中”PI01”に示す入射端から入射した光信号は図4中”CP01”に示す交差部分に生じた低屈折率部分で全反射されて図4中”PO02”に示す出射端から出射される。
【0041】
この時、光スイッチ50が”ON”状態における注入キャリアは”1017〜1019cm−3”程度と非常に大きい。このため、光スイッチ50の構造に依存するものの、例えば、光スイッチ50のPN接合のダイオードの順方向電流値は”数10mA〜数100mA”程度になる。
【0042】
そして、図2中”CH41”に示す曲線特性のように順方向電流は順方向の電圧に対して指数関数的に増加し、図3中”CH51”に示す特性曲線のように容量は順方向の電圧の平方根に比例する。
【0043】
従って、光スイッチ50のPN接合のダイオードの順方向電流に対する容量変化は、順方向電流値が小さい領域では変化が大きく、順方向電流が大きい領域では変化が小さくなる。
【0044】
このため、光スイッチ50の”OFF”状態において印加する順方向電流を前述のように”0mA”にするのではなく、光スイッチ50が”ON”状態に遷移しない程度(”数100μA〜数10mA”程度)のバイアス電流を印加することにより、光スイッチ50が”ON”状態と、”OFF”状態との容量値差を小さくする。
【0045】
例えば、図2中”CH41”に示す特性曲線から、”数100μA〜数10mA”程度のバイアス電流として図2中”SC41”に示す順方向電流をPN接合のダイオードに印加すれば、PN接合のダイオードの順方向電圧は図2中”SV41”に示す値となると共に図4中”CP01”に示す光スイッチ50の交差部分には十分なキャリアが注入されないため光スイッチは”OFF”状態になる。
【0046】
一方、図2中”CH41”に示す特性曲線から図2中”SC42”に示す順方向電流をPN接合のダイオードに印加すれば、PN接合のダイオードの順方向電圧は図2中”SV42”に示す値となると共に図4中”CP01”に示す光スイッチ50の交差部分に十分なキャリアが注入されるため光スイッチは”ON”状態になる。
【0047】
この時、図3中”CH51”に示す特性曲線からPN接合のダイオード構造の”ON”時の容量値と、”OFF”時の容量値との容量値の差は図3中”DC51”に示すようになり、図7中”DC21”に示す容量値差と比較して”ON/OFF”遷移時における容量の変化を小さくすることができる。
【0048】
このため、この容量値差に起因する駆動電流の反射も小さくなり、従来例と比較して図4中”CP01”に示す光スイッチ50の交差部分に有効にキャリアを注入することが可能になる。言い換えれば、従来例と比較して光スイッチの高速駆動が可能になる。
【0049】
この結果、光スイッチ50が”OFF”状態の場合に、光スイッチ50が”ON”状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加することにより、”ON/OFF”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【0050】
なお、図1に示す光スイッチの断面構造(図5に示す従来例と同様)では絶縁膜8の上にポリイミド層9a,9b及び9cを形成し、その上に配線パターン10a及び10bを形成している構造を例示しているが、ポリイミド層及び配線パターンに関しては必須の構成要素ではない。
【0051】
また、図1に示す光スイッチの断面構造(図5に示す従来例と同様)では、伝播する光信号を閉じ込めるためコンタクト層5、クラッド層6や光導波路層2を台形状に形成しているが、必須の構成ではない。
【0052】
また、図1(図5)の説明に際してはキャップ層上にN電極11等を、コンタクト層上にP電極12等を形成する構成となっているが、N電極とP電極の形成位置を入れ替えても勿論構わない。
【0053】
本願の光スイッチに関しては、光の伝播する光導波路内にキャリアを導入して、その部分での屈折率を低下させることにより光を全反射させてスイッチングを実現している。そして、当該キャリアを効果的に蓄積させるためにPN接合を形成しているので、PN接合の極性を逆にしても原理的に動作は可能である。
【0054】
具体的には、実施例の断面図に相当する図5におけるn型のキャップ層7、n型の光導波路層2、n型のクラッド層6及びp型のコンタクト層5をそれぞれ、p型のキャップ層、p型の光導波路層、p型のクラッド層6及びn型のコンタクト層として形成すれば良い。
【0055】
また、キャップ層7は電極と光導波路層との間の抵抗を低減するためのものであって、光スイッチの動作に関しては本質的な構成要素ではない。
【0056】
また、図1(図5)ではPN接合の位置をクラッド層とコンタクト層との間に形成しているが、勿論、これに限定される訳ではなく、光導波路層とクラッド層との間にPN接合を形成しても構わない。
【0057】
また、図1(図5)ではキャップ層7及びコンタクト層5を形成しているが、キャップ層7或いはコンタクト層5の機能を代替する領域を光導波路層2或いはクラッド層6等に設けることにより、当該キャップ層7及びコンタクト層5を省略しても構わない。
【0058】
具体的には、イオン注入によってキャップ層7或いはコンタクト層5の機能を代替する領域を光導波路層2或いはクラッド層6や半導体基板1等に形成するにより、当該キャップ層7及びコンタクト層5を省略することが可能になる。
【0059】
また、図1(図4)では光導波路層に”X字状”、言い換えれば、2本の直線の光導波路が交差した形状の光導波路を形成する構成となっているが、光信号が一方から入射され途中で2つに分岐して出射される光導波路を形成する構成であれば構わない。
【0060】
また、出射用の光導波路を2つ有する光導波路でれば”y字状”であっても、その他の形状であっても構わない。ここで、”y字状”の光導波路とは、1本の直線の光導波路の途中から異なる角度で分岐する形状である。さらに、、”X字状”と”y字状”とを組み合わせた形状の光導波路であっても構わない。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項1及び請求項2の発明によれば、光スイッチが”OFF”状態の場合に、光スイッチが”ON”状態に遷移しない程度のバイアス電流を印加することにより、”ON/OFF”遷移時における容量の変化が小さくなり、高速駆動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】光スイッチ及び本発明に係る光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路の一実施例を示す構成ブロック図である。
【図2】光スイッチのPN接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性を示す特性曲線図である。
【図3】光スイッチのPN接合のダイオードの順方向の電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【図4】このような従来の光スイッチの一例を示す平面図である。
【図5】このような従来の光スイッチの一例を示す断面図である。
【図6】光スイッチのPN接合のダイオードの順方向の電圧−電流特性を示す特性曲線図である。
【図7】光スイッチのPN接合のダイオードの順方向の電圧−容量特性を示す特性曲線図である。
【符号の説明】
1 基板
2 光導波路層
3 N電極
4 P電極
5 コンタクト層
6 クラッド層
7 キャップ層
8 絶縁膜
9a,9b,9c ポリイミド層
10a,10b 配線パターン
50 光スイッチ
51 駆動回路

Claims (2)

  1. キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法であって、
    光信号が一方から入射され途中で2つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する1対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにPN接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをON状態にし、
    前記光スイッチに前記光スイッチがON状態に遷移しない程度の数100μA〜数10mAの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをOFF状態にする
    ことを特徴とする光スイッチの駆動方法。
  2. キャリア注入による屈折率変化により光信号の伝送経路を切り換える光スイッチの駆動方法を用いた駆動回路において、
    光信号が一方から入射され途中で2つに分岐して出射される光導波路と、前記光導波路の分岐部分に駆動電流を印加することによりキャリアを注入する1対の電極とが形成されると共に、前記キャリアの注入効率を高くするためにPN接合のダイオードが形成された前記光スイッチの前記電極に駆動電流を印加して前記光スイッチをON状態にし、
    前記光スイッチに前記光スイッチがON状態に遷移しない程度の数100μA〜数10mAの順方向バイアス電流を印加して前記光スイッチをOFF状態にする
    ことを特徴とする駆動回路。
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