JP4427635B2 - Optical cross-connect device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光バックボーン・ネットワークにおける高速伝送技術であるWDM(波長分割多重:wavelength division multiplexing)伝送装置内において、光信号を電気信号に変換処理することなく直接経路変換することができる、オプティカルクロスコネクト装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
インターネット接続を行うためのパソコンや携帯電話の爆発的な普及に伴い、通信インフラにおいてもブロードバンドによる高帯域化やxDSL等による高速化及び常時接続が普及し始め、更には次世代インターネットや次世代携帯電話の発展・普及を円滑にすべくバックボーン・ネットワークの大幅な速度向上が望まれている。
【0003】
光ファイバーケーブルで信号を伝送する場合、従来のTDM(時分割多重:time division multiplexing)方式では1本の光ファイバーケーブルに1波長しか伝送できないが、WDM方式では波長が個々に異なる多数の波長が伝送できるため既設の光ファイバーケーブルを利用して帯域及び伝送速度を大幅に向上させることができる。該WDM技術を利用したWDM伝送装置において、入力側光信号と出力側光信号とを高速に経路変換即ちクロスコネクトさせるためには、光信号を電気信号に変換処理することなく直接経路変換することができる光スイッチが必要不可欠なものとなる。
【0004】
現時点における光スイッチの方式としては、「ミラー型」と呼ばれるSi基板等でできた微小ミラーを回転若しくは上下移動させることにより入射光を特定の反射角で反射させて経路変換を行ったり、「平面光導波路型」と呼ばれる基板内にヒーターを埋め込んだ交差部を有する導波路において該ヒーターを加熱させることにより光の屈折率を変えて経路変換を行ったり、「バブル型」と呼ばれる前記ヒーターの代わりに液体を満たした溝を設け、該溝内の泡の発生を制御することにより光の反射角を変えて経路変換を行ったり、「メカニカル型」と呼ばれる光ファイバーケーブルを電磁石等で曲げて経路変換を行う方法の4種類がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記各種方法において「ミラー型」はチャンネル数が数百チャンネルと現時点では最も大規模なものであるが、光信号の経路変換を行うためには微小ミラーの回転若しくは上下移動による機械的可動を伴うため、耐久性に問題があった。更に、スイッチング速度も50msec程度と低速であるという問題点があった。また、「メカニカル型」はスイッチング速度が10msec以下と比較的高速であるがチャンネル数が数チャンネルしか構成できなく、小規模な用途にしか利用できないといった問題点があった。また、「平面光導波路型」や「バブル型」もスイッチング速度が10msec程度と比較的高速でありチャンネル数も数十チャンネルの構成が可能であるが、基板内にヒーターや液体を満たした溝を埋設する構造であるため、耐久性に多少の不安があった。また、機械的可動は無いものの多少の機械構成要素が必要であり、構造が複雑になってしまうといった問題点もあった。
【0006】
本発明は、上記のような問題点を解決するために成されたものであり、機械的可動部を持たず構造が簡単であり、チャンネル数も数百〜数千チャンネルと超大規模なWDM伝送装置に対応でき、更にはスイッチング速度も非常に高速で処理することができ、次世代フォトニック・ネットワーク構築を急速に推進させることができる、オプティカルクロスコネクト装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明のオプティカルクロスコネクト装置全体の概念図であり、図2は本発明のオプティカルクロスコネクト装置におけるマルチモード光導波路に電気光学効果を施すための光スイッチの概念図である。図1に示すように、入力用光ファイバー1から入力された入力光はAWG型合分波器12及びダイクロイックミラー13を経由し、マルチモード光導波路4に入力される。そして、ホログラフィックフィルター5によりスイッチングされた入力光は更にダイクロイックミラー13及びAWG型合分波器12を経由して出力用光ファイバー2に出力される。該図から明らかなように本発明のオプティカルクロスコネクト装置の構成は、駆動部分が一切なく光学材料のみである。
【0008】
マルチモード光導波路4はマルチモード光導波路支持基板3上に電気光学効果を有する非線形光学結晶又は有機材料で形成し、該マルチモード光導波路4の上部にはスペックルパターンを制御するのに最適な形状の電極10と、下部には対極としての電極10aを配置する。図では例として三角形状の電極10を示した。そして、該電極10に電圧を印加することにより電極10の下にあるマルチモード光導波路4を通るレーザービーム9aは電気光学効果により条件に対応したスペックルパターンを発生する。該スペックルパターンは、電極10の構造や印加電圧及びマルチモード光導波路4の光学的特性によって一次的に決まる。発生したスペックルパターンは外部環境が変わらなければ経時変化は起こらない。このため、簡単な構造で信頼性が高く経済性のある安定した装置を実現することができる。また、図3は図2における電気光学効果用の電極とマルチモード光導波路の位置関係を示した断面図であり、電極10とマルチモード光導波路4の位置関係を分かり易く示した。また、図4はシングルモードで入力したレーザービームがマルチモード光導波路内で電極によって定まるスペックルパターンを発生し、マルチモード光導波路よりホログラフィックフィルターに入力される様子を概念的に示した平面図であり、マルチモード光導波路4で形成されるスペックルパターンはマルチモード光導波路4’にそのまま合流し、その一本のマルチモード光導波路4’からホログラフィックフィルター5に入力される様子を分かり易く示した。
【0009】
図5は本発明のオプティカルクロスコネクト装置におけるホログラフィックフィルターを作成するときの光学系の配置図であり、光スイッチング機能を付加するため、レーザー装置6とレンズ系7aとビームスプリッター7b及びホログラフィックフィルター5に平行移動する反射ミラー駆動装置7dに取り付けた反射ミラー7cで構成した光学系により、該ホログラフィックフィルター5に予めホログラムを形成する。これはオプティカルクロスコネクト装置がシステム内で稼動する前に行われるため、ホログラム形成記録に要する時間は光通信のスイッチング速度には何ら影響しない。このため、該工程でレーザー装置6は高出力でなく、ホログラフィックフィルター5も必ずしも高感度である必要がない。従って、本発明のオプティカルクロスコネクト装置は経済性が高く、ホログラフィックフィルター5の材料の選択肢も多くあることが特徴である。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図5の本発明のオプティカルクロスコネクト装置におけるホログラフィックフィルターを作成するときの光学系の配置図に基づいて説明する。まず、ホログラフィックフィルター5の作成工程として、レーザー装置6から発振されるレーザービーム9を、レンズ系7aにより一定の径の均一な平行光とし、該平行光を信号の入力用光ファイバー1とホログラフィックフィルター5とする非線形光学結晶又は有機材料に照射するため、ビ−ムスプリッター7bで二つの経路に分割する。分割された一方の平行光9aはレンズアレイ7eを経由して直接入力用光ファイバー1に入力される。他の平行光9bはホログラフィックフィルター5に平行且つ左右に移動する反射ミラー駆動装置7dに取り付けられた反射ミラー7cにより非線形光学結晶又は有機材料に照射する。このようにして、同一光源から出力した2光路の光は非線形光学結晶又は有機材料の中で交差して光干渉し、ホログラムを形成する。その結果、本発明のオプティカルクロスコネクト装置に必要となるホログラムが予めホログラフィックフィルター5に記録されることになる。
【0011】
次に、非線形光学結晶又は有機材料にホログラムを形成する手段について、更に詳細に説明する。各種各様のスペックルパターンを発生させる基本的手段はマルチモード光導波路4の上に形成された電極10の形状及びその個数と、該電極10に印加される電圧によって決まる。スイッチングの条件を設定して非線形光学結晶又は有機材料に一定の間隔でホログラムを形成する。これをホログラフィックフィルター5とすることにより、光の経路を選択的に定めることができる。先に述べたように、ホログラムを形成するのは通信の実働中ではないので、形成又は消去に時間的制約はない。
【0012】
ホログラフィックフィルター5の完成後は、ホログラムの形成に用いたレーザー装置6,レンズ系7a,ビームスプリッター7b,反射ミラー7c及び反射ミラー駆動装置7dはオプティカルクロスコネクト装置の通信系から取り除く。このため、極めて簡単で保守性がよく且つ経済性のあるシステムにすることができる。
【0013】
次に、本発明のオプティカルクロスコネクト装置の心臓部となる光スイッチング機能について述べる。基本原理は「光導波路から射出されるレーザースペックルパターンの相関一致」の応用である。この場合、相互相関関数(Cross‐Correlation)は数1で与えられる。
【0014】
【数1】
Ci , j=Pi×Pj
Ci , j:相互相関関数
Pi:外部からの印加電圧がない時のマルチモード光導波路からでるスペックルパターン
Pj:外部から印加電圧を加えた時のマルチモード光導波路からでるスペックルパターン
【0015】
定理により、i=jの時 1(MAX) 即ちパターンが一致した時最大
i≠jの時 0(MIN) 即ちパターンが一致しない時最小
となる。そして、入力用光ファイバー1から入った光信号は、マルチモード光導波路4の上の電極10に印加する制御電圧により必要とするスペックルパターンを発生し、ホログラフィックフィルター5によりアドレスが選択され出力用光ファイバー2に接続される。
【0016】
前項で示した方式を具体的な事例でその機能を説明する。
【0017】
【ホログラフィックフィルターの作成】
図6はホログラフィックフィルターの作成原理を示した図であり、ホログラムH1を形成する場合、レーザー装置6から出力したレーザービーム9aをビームスプリッター7bで分割した一方のビームを入力側から信号制御用の電極10の下部にあるマルチモード光導波路4に通過させ、夫々の印加電圧に対応したスペックルパターンを発生させる。ここで、V11としてこれらを一つのマルチモード光導波路4に纏めると、ここから射出するビームのスペックルパターンS1は図に示したように夫々のスペックルパターンの和となる。これにビームスプリッター7bで分割したもう一方のビームを参照光R1としてS1からのビームに直角に照射するとこの交点で光干渉が起こりホログラムが形成される。同様にしてV21としてスペックルパターンS2を発生し、参照波R2と干渉させてホログラムH2を形成する。以下同様の方法で、必要な数のホログラムを形成して一つのホログラフィクフィルター5を完成する。
【0018】
【ホログラフィックフィルターによる光の回折】
図7はホログラフィックフィルターによる光の回折原理を示した図であり、今、二つの入力信号が夫々V12とV21の印加電圧を受けたとすると、ホログラフィックフィルター5に入力されるスペックルパターンはSとなる。既成のホログラムH1とホログラムH2を通過するとき、先に示した相互相関関数の条件を満たした箇所でビームは回折され、出力側の光導波路に入射する。即ち、電極10の印加電圧を制御することによりビームは必要な箇所にスイッチングされることになる。
【0019】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のオプティカルクロスコネクト装置をWDM伝送装置における光スイッチに使用すれば、光電効果の利用により高速にスペックルパターンを変化させて、予め設定してあるホログラフィックフィルターを通過させるだけで入力側光信号と出力側光信号とを高速に経路変換即ちクロスコネクトを行わせることができる。該ホログラフィックフィルターは装置の稼動以前に形成してあることが特徴であり、故に稼動中のスイッチング速度に何ら影響を与えない優れた特徴がある。前記スペックルパターンは必要に応じて多数作っておくことができるため、チャンネル数も数百〜数千チャンネルと超大規模なWDM伝送装置に対応でき、更にはスイッチング速度も非常に高速で処理することができるため、次世代フォトニック・ネットワーク構築を急速に推進させることができるという絶大なる効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のオプティカルクロスコネクト装置全体の概念図である。
【図2】本発明のオプティカルクロスコネクト装置におけるマルチモード光導波路に電気光学効果を施すための光スイッチの概念図である。
【図3】図2における電気光学効果用の電極とマルチモード光導波路の位置関係を示した断面図である。
【図4】シングルモードで入力したレーザービームがマルチモード光導波路内で電極によって定まるスペックルパターンを発生し、マルチモード光導波路よりホログラフィックフィルターに入力される様子を概念的に示した平面図である。
【図5】本発明のオプティカルクロスコネクト装置におけるホログラフィックフィルターを作成するときの光学系の配置図である。
【図6】ホログラフィックフィルターの作成原理を示した図である。
【図7】ホログラフィックフィルターによる光の回折原理を示した図である。
【符号の説明】
1 入力用光ファイバー
2 出力用光ファイバー
3 マルチモード光導波路支持基板
4 マルチモード光導波路
5 ホログラフィックフィルター
6 レーザー装置
7a レンズ系
7b ビームスプリッター
7c 反射ミラー
7d 反射ミラー駆動装置
7e レンズアレイ
8 電源装置
9 レーザービーム
10 マルチモード導波路の上部電極
10a マルチモード導波路の下部電極
11 スリッター
12 AWG型合分波器
13 ダイクロイックミラー
14 アドレス光検出器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides an optical cross that can directly change the path of an optical signal without converting it into an electrical signal in a WDM (wavelength division multiplexing) transmission apparatus, which is a high-speed transmission technique in an optical backbone network. It relates to a connect device.
[0002]
[Prior art]
With the explosive spread of personal computers and mobile phones for connecting to the Internet, higher bandwidths using broadband, higher speeds such as xDSL, and constant connection have begun to spread in communication infrastructures. In order to facilitate the development and popularization of telephones, it is desired to significantly increase the speed of the backbone network.
[0003]
When transmitting a signal using an optical fiber cable, the conventional TDM (time division multiplexing) method can transmit only one wavelength to one optical fiber cable, but the WDM method can transmit a number of wavelengths having different wavelengths. Therefore, the bandwidth and transmission speed can be greatly improved by using the existing optical fiber cable. In the WDM transmission apparatus using the WDM technology, in order to change the path of the input side optical signal and the output side optical signal at high speed, that is, to cross-connect, the optical signal is converted directly into an electric signal without being converted. An optical switch that can be used is indispensable.
[0004]
At the present time, the optical switch method includes a path change by reflecting incident light at a specific reflection angle by rotating or moving up and down a micro mirror made of a Si substrate or the like called “mirror type”. In a waveguide having a crossing portion in which a heater is embedded in a substrate called an “optical waveguide type”, the path is changed by changing the refractive index of light by heating the heater, or in place of the heater called a “bubble type” A groove filled with liquid is provided, and the path is changed by changing the reflection angle of light by controlling the generation of bubbles in the groove, or the path is changed by bending an optical fiber cable called "mechanical type" with an electromagnet etc. There are four types of methods.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned various methods, the “mirror type” has the largest number of channels at present, with several hundred channels. However, in order to change the path of the optical signal, it involves mechanical movement by rotating or moving the mirror up and down. Therefore, there was a problem in durability. In addition, the switching speed is as low as about 50 msec. In addition, the “mechanical type” has a problem that the switching speed is relatively high at 10 msec or less, but only a few channels can be configured, and it can be used only for small-scale applications. In addition, the “planar optical waveguide type” and “bubble type” have a relatively high switching speed of about 10 msec and can be configured with several tens of channels. However, a groove filled with a heater or liquid is formed in the substrate. Due to the buried structure, there was some concern about durability. In addition, although there is no mechanical movement, some mechanical components are required and the structure becomes complicated.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described problems, has no mechanical moving parts, has a simple structure, and has hundreds to thousands of channels. It is an object of the present invention to provide an optical cross-connect device that can cope with a device and can process at a very high switching speed, and can rapidly promote the construction of a next-generation photonic network.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a conceptual diagram of the entire optical cross-connect device of the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram of an optical switch for applying an electro-optic effect to a multimode optical waveguide in the optical cross-connect device of the present invention. As shown in FIG. 1, the input light input from the input
[0008]
The multimode
[0009]
FIG. 5 is an arrangement diagram of an optical system when creating a holographic filter in the optical cross-connect device of the present invention. In order to add an optical switching function, a
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described based on an arrangement diagram of an optical system when creating a holographic filter in the optical cross-connect device of the present invention shown in FIG. First, as a production process of the
[0011]
Next, means for forming a hologram on a nonlinear optical crystal or organic material will be described in more detail. The basic means for generating various speckle patterns is determined by the shape and number of
[0012]
After the
[0013]
Next, the optical switching function that is the heart of the optical cross-connect device of the present invention will be described. The basic principle is the application of “correlation matching of laser speckle patterns emitted from an optical waveguide”. In this case, the cross-correlation function is given by
[0014]
[Expression 1]
C i , j = P i × P j
C i , j : Cross-correlation function P i : Speckle pattern emerging from multimode optical waveguide when no externally applied voltage is applied P j : Speckle pattern emerging from multimode optical waveguide when externally applied voltage is applied [0015]
According to the theorem, 1 (MAX) when i = j, that is, the maximum when the patterns match 0 (MIN) when i ≠ j, the minimum when the patterns do not match. The optical signal input from the input
[0016]
The functions of the method shown in the previous section will be explained using specific examples.
[0017]
[Creation of holographic filter]
FIG. 6 is a diagram showing a principle of creating a holographic filter. When forming the hologram H1, one of the beams obtained by dividing the
[0018]
[Diffraction of light by holographic filter]
FIG. 7 is a diagram showing the principle of light diffraction by the holographic filter. Now, assuming that two input signals receive applied voltages of V 12 and V 21 , respectively, a speckle pattern input to the
[0019]
【The invention's effect】
As described above, when the optical cross-connect device of the present invention is used for an optical switch in a WDM transmission device, the speckle pattern is changed at high speed by using the photoelectric effect, and passes through a preset holographic filter. It is possible to perform path conversion, that is, cross connect, between the input side optical signal and the output side optical signal at high speed simply by making them. The holographic filter is characterized in that it is formed before the operation of the device, and therefore has an excellent feature that does not affect the switching speed during operation. Since a large number of speckle patterns can be created as required, the number of channels can correspond to hundreds to thousands of channels, and it can handle very large-scale WDM transmission devices. Furthermore, the switching speed is very high. Therefore, it is possible to achieve a great effect that the construction of the next-generation photonic network can be promoted rapidly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of an entire optical cross-connect device according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of an optical switch for applying an electro-optic effect to a multimode optical waveguide in the optical cross-connect device of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a positional relationship between an electrode for an electro-optic effect and a multimode optical waveguide in FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is a plan view conceptually showing a state in which a laser beam input in a single mode generates a speckle pattern determined by an electrode in a multimode optical waveguide and is input to the holographic filter from the multimode optical waveguide. is there.
FIG. 5 is an arrangement diagram of an optical system when creating a holographic filter in the optical cross-connect device of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing the principle of creating a holographic filter.
FIG. 7 is a diagram showing the principle of light diffraction by a holographic filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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Publications (2)
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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