Design of Geometric Molecular Bonds

An example of a nonspecific molecular bond is the affinity of any positive charge for any negative charge (like-unlike), or of nonpolar material for itself when in aqueous solution (like-like). This contrasts specific bonds such as the affinity of the DNA base A for T, but not for C, G, or another A. Recent experimental breakthroughs in DNA nanotechnology demonstrate that a particular nonspecific like-like bond ("blunt-end DNA stacking" that occurs between the ends of any pair of DNA double-helices) can be used to create specific "macrobonds" by careful geometric arrangement of many nonspecific blunt ends, motivating the need for sets of macrobonds that are orthogonal: two macrobonds not intended to bind should have relatively low binding strength, even when misaligned. To address this need, we introduce geometric orthogonal codes that abstractly model the engineered DNA macrobonds as two-dimensional binary codewords. While motivated by completely different applications, geometric orthogonal codes share similar features to the optical orthogonal codes studied by Chung, Salehi, and Wei. The main technical difference is the importance of 2D geometry in defining codeword orthogonality.Comment: Accepted to appear in IEEE Transactions on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communication

Passive optical network (PON) monitoring using optical coding technology

Les réseaux optiques passifs (PON) semblent être la technologie gagnante et ultime du futur pour les "fibres jusqu'au domicile" ayant une haute capacité. L'écoute de contrôle de ce genre de système est nécessaire pour s'assurer un niveau de qualité de service prédéterminé pour chaque client. En outre, l'écoute de contrôle réduit considérablement les dépenses en capital et de fonctionnement (CAPEX et OPEX), tant pour le fournisseur du réseau que les clients. Alors que la capacité des PON est croissante, les gestionnaires de réseau ne disposent pas encore d'une technologie efficace et appropriée pour l'écoute de contrôle des réseaux de capacité aussi élevée. Une variété de solutions a été proposée. Toutes ces dernières solutions ne sont pas pratiques à cause de leur faible capacité (nombre de clients), d'une faible évolutivité, d'une grande complexité et des défis technologiques. Plus important encore, la technologie souhaitable pour l'écoute de contrôle devrait être rentable car le marché des PON est très sensible aux coûts. Dans cette thèse, nous considérons l'application de la technologie du codage optique passif (OC) comme une solution prometteuse pour l'écoute de contrôle centralisée d'un réseau optique ramifié tels que les réseaux PON. Dans la première étape, nous développons une expression pour le signal détecté par l'écoute de contrôle et étudions ses statistiques. Nous trouvons une nouvelle expression explicite pour le rapport signal utile/signal brouillé (SIR) comme outil de mesure métrique de performance. Nous considérons cinq distributions PON géographiques différentes et étudions leurs effets sur l'SIR pour l'écoute de contrôle d'OC. Dans la prochaine étape, nous généralisons notre modèle mathématique et ses expressions pour le contrôle des signaux détectés par un détecteur quadratique et des paramètres réalistes. Nous évaluons ensuite les performances théoriques de la technologie basée sur l'écoute de contrôle selon le rapport signal/bruit (SNR), le rapport signal/bruit plus coefficient d'interférence (SNIR), et la probabilité de fausse alarme. Nous élaborons l'effet de la puissance d'impulsion transmise, la taille du réseau et la cohérence de la source lumineuse sur le rendement des codes unidimensionnels (ID) et bidimensionnels (2D) de l'écoute de contrôle d'OC. Une conception optimale est également abordée. Enfin, nous appliquons les tests de Neyman-Pearson pour le récepteur de notre système d'écoute de contrôle et enquêtons sur la façon dont le codage et la taille du réseau affectent les dépenses de fonctionnement (OPEX) de notre système d'écoute de contrôle. Malgré le fait que les codes ID et 2D fournissent des performances acceptables, elles exigent des encodeurs avec un nombre élevé de composants optiques : ils sont encombrants, causent des pertes, et ils sont coûteux. Par conséquent, nous proposons un nouveau schéma de codage simple et plus approprié pour notre application de l'écoute de contrôle que nous appelons le codage périodique. Par simulation, nous évaluons l'efficacité de l'écoute de contrôle en terme de SNR pour un PON employant cette technologie. Ce système de codage est utilisé dans notre vérification expérimentale de l'écoute de contrôle d'OC. Nous étudions expérimentalement et par simulation, l'écoute de contrôle d'un PON utilisant la technologie de codage périodique. Nous discutons des problèmes de conception pour le codage périodique et les critères de détection optimale. Nous développons également un algorithme séquentiel pour le maximum de vraisemblance avec une complexité réduite. Nous menons des expériences pour valider notre algorithme de détection à l'aide de quatre encodeurs périodiques que nous avons conçus et fabriqués. Nous menons également des simulations de Monte-Carlo pour des distributions géographiques de PON réalistes, avec des clients situés au hasard. Nous étudions l'effet de la zone de couverture et la taille du réseau (nombre d'abonnés) sur l'efficacité de calcul de notre algorithme. Nous offrons une borne sur la probabilité pour un réseau donné d'entraîner l'algorithme vers un temps exorbitant de surveillance du réseau, c'est à dire le délai d'attente de probabilité. Enfin, nous soulignons l'importance du moyennage pour remédier aux restrictions budgétaires en puissance/perte dans notre système de surveillance afin de supporter de plus grandes tailles de réseaux et plus grandes portées de fibres. Ensuite, nous mettrons à niveau notre dispositif expérimental pour démontrer un m PON avec 16 clients. Nous utilisons un laser à modulation d'exploitation directement à 1 GHz pour générer les impulsions sonde. Les données mesurées par le dispositif expérimental est exploité par l'algorithme de MLSE à détecter et à localiser les clients. Trois déploiements PON différents sont réalisés. Nous démontrons une surveillance plus rigoureuse pour les réseaux ayant une répartition géographique à plusieurs niveaux. Nous étudions aussi le budget de la perte de notre dispositif de soutien plus élevés de capacités du réseau. Enfin, nous étudions le budget total admissible de la perte d'exploitation du système de surveillance dans la bande de fréquences à 1650 nm en fonction des spécifications de l'émetteur/récepteur. En particulier, la limite totale de la perte de budget est représentée en fonction du gain de l'amplicateure de transimpédance (TIA) et le résolution de la conversion analogique-numérique (ADC). Par ailleurs, nous enquêtons sur le compromis entre la distance portée et la capacité (taille de fractionnement au niveau du noeud distant) dans notre système de suivi

Vector solitons with locked and precessing states of polarization

We demonstrate experimentally new families of vector solitons with locked and precessing states of polarization for fundamental and multipulse soliton operations in a carbon nanotube mode-locked fiber laser with anomalous dispersion laser cavity

Pulse-power-detection analysis of incoherent O-CDMA systems under the influence of fiber temperature fluctuations

In this paper, a pulse-shift technique, which divides every time slot (or chip) into equal-width sub-chips, is used to model the effect of fiber temperature fluctuations in incoherent optical code-division multiple-access (O-CDMA) systems. With the advance in all-optical thresholding technology, power detection of ultrashort optical pulses is possible. This paper also formulates a new pulse-power-detection model for incoherent OCDMA and applies it to the analysis of the pulse-shift technique as a case study. Numerical studies and computer simulations are presented to validate the new analytical model. Our study presents a more realistic theoretical model of all-optical thresholding in incoherent O-CDMA and results in better performance than the conventional pulse-energy-detection model

Fiber-optic code division multiple access : multi-class optical orthogonal codes, optical power control, and polarization encoding

Ever since the mid- 1980s when the single-mode fiber-optic media were believed to become the main highways of future telecommunications networks for transporting high-volume high-quality multipurpose information, the need for all-optical multi-access networking became important. An all-optical multi-access network is a collection of multiple nodes where the interconnection among various nodes is via single- or multi-mode fiber optics and for which they perform all their essential signal processing requirements such as switching, add-drop, multiplexing/demultiplexing and amplification in the optical domain. Optical CDMA networking is one possible technique that allows multiple users in local area networks to access the same fiber channel asynchronously with no delay or scheduling. Optical CDMA networks are not without their own problems. Search for codes suitable to the optical domain is one of the important topics addressed in the literature on optical CDMA. Existing codes developed in the late 80's are limited to single class traffic or can support multiclass traffic but with restrictions on code lengths and weights. Also the number of generated codes is severely limited due to orthogonality issues. In this thesis, we pay particular attention to propose new codes that can support multiclass traffic with arbitrary code weights and lengths. Therefore, data sources with varying traffic demands can be accommodated by optical CDMA networks using the proposed codes. We also present a simple generation technique for the proposed multiclass codes and analyze their performance. The number of users supported by the proposed multiclass codes will be limited since it is an extension of existing code designs with such limitation. We then propose the use of polarization dimension in order to double the number of supported users. On the other hand, incoherent optical CDMA systems are considered as positive systems meaning that only unipolar codes can be considered for such systems. Therefore, multiple access interference will be quite high in optical CDMA due to the nature of incoherent power detection. Reducing the effect of the interference on the performance of optical CDMA is an important topic. We propose the use of power control to decrease the effects of interference in optical star networks in which users' fiber lengths and data rates are not equal. We consider the case of optically amplified network with amplifier noise as the main source. We then elaborate by considering the nonlinearity in the photodetection process and propose the use of an iterative algorithm to find the solution of the non-linear optical power control problem. Finally, we propose an optical CDMA system based on polarization encoding. Since the encoding is performed in the spatial domain, therefore, positive and negative levels can be realized. This approach leads to increasing the number of supported users of optical CDMA by the use of known codes, such as Gold and Hadamard codes, with enhanced performance.reviewe