Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2026, № 9 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

A method for optimizing the reading of information transmitted via an optical communication channel based on optical vortex technology

V.L. Vaks1,2, I.V. Galkina3, O.A. Morozov3, A.V. Semenova1,2, M.M. Sorokhtin3

1 Institute for Physics of Microstructures RAS, Nizhnii Novgorod, Russia
2 Ioffe Physical-Technical Institute RAS, St. Petersburg, Russia
3 National Research Lobachevsky State University, Nizhnii Novgorod, Russia
PDF DOI: 10.30898/1684-1719.2026.9.8 UDC 621.376.9:004.932 Published 14 November 2026

Abstract

This paper proposes a computationally efficient algorithm for processing and decoding signals transmitted over an open optical communication line based on modulation of the projection of the orbital angular momentum of photons (also known as optical vortex technology). The decoding algorithm involves correlation processing of a recorded image with a characteristic multi-lobe structure. The computational efficiency is due to the transformation of the original two-dimensional arrays into one-dimensional ones, preceding the correlation processing. Based on computer simulation modeling, the dependences of the probability of a bit error in decoding on the signal-to-noise ratio were obtained. During the modeling the original image was exposed to additive Rayleigh and multiplicative noise for an optical analogue of phase modulation of a radio signal.

Аннотация (на русском)

Метод оптимизации считывания информации, переданной по каналу оптической связи, на основе технологии оптических вихрей

В работе предложен вычислительно эффективный алгоритм обработки и декодирования сигналов, передаваемых по открытой оптической линии связи, на основе модуляции проекции орбитального момента импульса фотонов (т.н. технологии оптических вихрей). Алгоритм декодирования заключается в корреляционной обработке зарегистрированного изображения, имеющего характерную многолепестковую структуру. Вычислительная эффективность достигается за счет формирования одномерных массивов данных из исходного изображения, на основе которых производится вычисление линейной корреляции между формируемыми данными и эталонными сигналами. На основе компьютерного имитационного моделирования получены зависимости вероятности битовой ошибки декодирования от отношения сигнал-шум при воздействии на исходное изображение аддитивного релеевского и мультипликативного шумов для оптического аналога фазовой модуляции радиосигнала.

Funding

The study was supported by grant 21-72-30020 P from the Russian Science Foundation https://rscf.ru/project/21-72-30020/

For citation

Vaks V.L., Galkina I.V., Morozov O.A., Semenova A.V., Sorokhtin M.M. A method for optimizing the reading of information transmitted via an optical communication channel based on optical vortex technology // Journal of Radio Electronics. – 2026. – № 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.9.8 (In Russian)

References

  1. Фокин В. Г. Оптические системы передачи и транспортные сети: учебное пособие. [Fokin V. G. Optical transmission systems and transport networks: a tutorial] – М.: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Эко-Трендз, 2008. – 271 с.
  2. Knyazev B. A., Serbo V. G. Beams of photons with nonzero orbital angular momentum projection: new results // Physics–Uspekhi, 2018. – Vol. 61. – No. 5. – P. 449-479. https://doi.org/10.3367/UFNe.2018.02.038306
  3. Wang H.,Song Q.,Cai Y.,Lin Q.,Lu X., Shangguan H., Ai Y., Xu Sh. Recent advances in generation of terahertz vortex beams andtheir applications //Chinese Physics B. – 2020. – VOL. 29. – No. 9. – P. 105-121 https://doi.org/10.1088/1674-1056/aba2df
  4. Yang H., Zheng Sh., He W., Yu X., Zhang X. Terahertz Orbital Angular Momentum: Generation, Detection and Communication // China Communications, 2021. – VOL. 18. – No. 5. – P. 131 – 152. https://doi.org/10.23919/JCC.2021.05.009
  5. Аксенов В. П., Канев Ф. Ю., Куксенок Д. С., Макенова Н. А., Хапаева А. В. Регистрация параметров вихревого пучка в турбулентной атмосфере. Ч.1. Использование градиентов волнового фронта [Aksenov V. P., Kanev F. Yu., Kuksenok D. S., Makenova N. A., Khapaeva A. V. Recording Vortex Beam Parameters in a Turbulent Atmosphere. Part 1. Using Wavefront Gradients] // Известия Томского Политехнического Университета, 2013. – VOL. 323. – No. 2. – P. 177 – 180.
  6. Aksenov V. P., Bogdanov O. V., Dudorov V. V., Kagadey V. A., Kazinsky P. O., Kolosov V. V., Korolev P. S., Lazarenko G. Yu., Levitsky M. E., Ryakin V. A. Transmission of orbital angular momentum multiplexed signal with coherent laser beam combining // Atmospheric and ocean optics, 2025. – VOL. 8. – P. 601 – 611. https://doi.org/10.15372/AOO20250801
  7. Krenn M., Fickler R., Fink M., Handsteiner J., Malik M., Scheidl T., Ursin R., Zeilinger A. Communication with spatially modulated light through turbulent air across Vienna //New Journal of Physics. – 2014. – VOL. 16. – No. 11. – P. 113028. https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/113028
  8. Krenn M., Handsteiner J., Fink M., Fickler R., Ursin R., Malik M., Zeilinger A. Twisted Light Transmission over 143 kilometers // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 2016. – VOL. 113. – No. 48. – P. 13648-13653. https://doi.org/10.1073/pnas.1612023113
  9. Allen L., Beijersbergen M.W., Spreeuw R.J. C., Woerdman J.P. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes // Physical Review A, 1992. – VOL. 45. – No. 11. – P. 8185-8189. https://doi.org/10.1103/physreva.45.8185
  10. Короленко П.В. Оптические вихри [Korolenko P. V. Optical vortices] // Соросовский образовательный журнал, 1998. – VOL. 6. – P. 94 – 99.
  11. Wang X.L.,Chen J., Li Y., Ding J. Optical orbital angular momentum from the curl of polarization // Physical Review Letters, 2010. – VOL. 105. – P. 253602, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.253602
  12. Котляр В.В., Ковалев А.А., Хонина А.А. Вращающиеся вихревые лазерные пучки. [Kotlyar V.V., Kovalev A.A., Khonina A.A. Rotating vortex laser beams] – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2021. – 240 с.
  13. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для втузов. [Gmurman V.E. Probability Theory and Mathematical Statistics: A Textbook for Higher Education Institutions] – М.: Высш. шк., 1977. – 479 с.
  14. Viterbi A. J., Omura J. K. Principles digital communication and coding – McGrawHill, 1979 М.: Радио и связь, 1982. – 576 p.
  15. Chechetkin V. V., Semenova A. V., Chernyaeva M. B., Vaks V. L. Detection of superposition of twisted beams under noise with the use of artificial neural networks // Optics and spectroscopy, 2025, – VOL. 9. – P. 921. https://doi.org/10.61011/OS.2025.09.61765.8233-25