Orbital angular momentum (OAM), which describes the "phase twist" (helical phase pattern) of light beams, has recently gained interest due to its potential applications in many diverse areas. Particularly promising is the use of OAM for optical communications since: (i) coaxially propagating OAM beams with different azimuthal OAM states are mutually orthogonal, (ii) inter-beam crosstalk can be minimized, and (iii) the beams can be efficiently multiplexed and demultiplexed. As a result, multiple OAM states could be used as different carriers for multiplexing and transmitting multiple data streams, thereby potentially increasing the system capacity. In this paper, we review recent progress in OAM beam generation/detection, multiplexing/demultiplexing, and its potential applications in different scenarios including free-space optical communications, fiber-optic communications, and RF communications. Technical challenges and perspectives of OAM beams are also discussed.

One property of electromagnetic waves that has been recently explored is the ability to multiplex multiple beams, such that each beam has a unique helical phase front. The amount of phase front ‘twisting’ indicates the orbital angular momentum state number, and beams with different orbital angular momentum are orthogonal. Such orbital angular momentum based multiplexing can potentially increase the system capacity and spectral efficiency of millimetre-wave wireless communication links with a single aperture pair by transmitting multiple coaxial data streams. Here we demonstrate a 32-Gbit s−1 millimetre-wave link over 2.5 metres with a spectral efficiency of ~16 bit s−1 Hz−1 using four independent orbital–angular momentum beams on each of two polarizations. All eight orbital angular momentum channels are recovered with bit-error rates below 3.8 × 10−3. In addition, we demonstrate a millimetre-wave orbital angular momentum mode demultiplexer to demultiplex four orbital angular momentum channels with crosstalk less than −12.5 dB and show an 8-Gbit s−1 link containing two orbital angular momentum beams on each of two polarizations. High speed data transmission using orbital angular momentum beams has been recently demonstrated. Here, Yan et al. demonstrate a 32 Gbit/s millimetre-wave communication link using eight coaxially propagating independent orbital angular momentum beams with four orbital angular momentum states on two orthogonal polarizations.

We present a method to efficiently sort orbital angular momentum (OAM) states of light using two static optical elements. The optical elements perform a Cartesian to log-polar coordinate transformation, converting the helically phased light beam corresponding to OAM states into a beam with a transverse phase gradient. A subsequent lens then focuses each input OAM state to a different lateral position. We demonstrate the concept experimentally by using two spatial light modulators to create the desired optical elements, applying it to the separation of eleven OAM states.

The linear Doppler shift is widely used to infer the velocity of approaching objects, but this shift does not detect rotation. By analyzing the orbital angular momentum of the light scattered from a spinning object, we observed a frequency shift proportional to product of the rotation frequency of the object and the orbital angular momentum of the light. This rotational frequency shift was still present when the angular momentum vector was parallel to the observation direction. The multiplicative enhancement of the frequency shift may have applications for the remote detection of rotating bodies in both terrestrial and astronomical settings.

We investigate the orthogonality of orbital angular momentum (OAM) with other multiplexing domains and present a free-space data link that uniquely combines OAM-, polarization-, and wavelength-division multiplexing. Specifically, we demonstrate the multiplexing/demultiplexing of 1008 data channels carried on 12 OAM beams, 2 polarizations, and 42 wavelengths. Each channel is encoded with 100 Gbit/s quadrature phase-shift keying data, providing an aggregate capacity of 100.8 Tbit/s (12×2×42×100 Gbit/s).

Vector modes are spatial modes that have spatially inhomogeneous states of polarization, such as, radial and azimuthal polarization. They can produce smaller spot sizes and stronger longitudinal polarization components upon focusing. As a result, they are used for many applications, including optical trapping and nanoscale imaging. In this work, vector modes are used to increase the information capacity of free space optical communication via the method of optical communication referred to as mode division multiplexing. A mode (de)multiplexer for vector modes based on a liquid crystal technology referred to as a q-plate is introduced. As a proof of principle, using the mode (de)multiplexer four vector modes each carrying a 20 Gbit/s quadrature phase shift keying signal on a single wavelength channel (~1550nm), comprising an aggregate 80 Gbit/s, were transmitted ~1m over the lab table with <-16.4 dB (<2%) mode crosstalk. Bit error rates for all vector modes were measured at the forward error correction threshold with power penalties < 3.41dB.

We describe an experimental implementation of a free-space 11-dimensional communication system using orbital angular momentum (OAM) modes. This system has a maximum measured OAM channel capacity of 2.12 bits/photon. The effects of Kolmogorov thin-phase turbulence on the OAM channel capacity are quantified. We find that increasing the turbulence leads to a degradation of the channel capacity. We are able to mitigate the effects of turbulence by increasing the spacing between detected OAM modes. This study has implications for high-dimensional quantum key distribution (QKD) systems. We describe the sort of QKD system that could be built using our current technology.

Abstract Mode division multiplexing (MDM)– using a multimode optical fiber’s N spatial modes as data channels to transmit N independent data streams – has received interest as it can potentially increase optical fiber data transmission capacity N-times with respect to single mode optical fibers. Two challenges of MDM are (1) designing mode (de)multiplexers with high mode selectivity (2) designing mode (de)multiplexers without cascaded beam splitting’s 1/N insertion loss. One spatial mode basis that has received interest is that of orbital angular momentum (OAM) modes. In this paper, using a device referred to as an OAM mode sorter, we show that OAM modes can be (de)multiplexed over a multimode optical fiber with higher than −15 dB mode selectivity and without cascaded beam splitting’s 1/N insertion loss. As a proof of concept, the OAM modes of the LP 11 mode group (OAM −1,0 "Equation missing" and OAM +1,0 ), each carrying 20-Gbit/s polarization division multiplexed and quadrature phase shift keyed data streams, are transmitted 5km over a graded-index, few-mode optical fibre. Channel crosstalk is mitigated using 4 × 4 multiple-input-multiple-output digital-signal-processing with <1.5 dB power penalties at a bit-error-rate of 2 × 10 −3 .

We experimentally investigate the performance of an orbital angular momentum (OAM) multiplexed free space optical (FSO) communication link through emulated atmospheric turbulence. The turbulence effects on the crosstalk and system power penalty of the FSO link are characterized. The experimental results show that the power of the transmitted OAM mode will tend to spread uniformly onto the neighboring mode in medium-to-strong turbulence, resulting in severe crosstalk at the receiver. The power penalty is found to exceed 10 dB in a weak-to-medium turbulence condition due to the turbulence-induced crosstalk and power fluctuation of the received signal.

We have developed a mode transformer comprising two custom refractive optical elements which convert orbital angular momentum states into transverse momentum states.This transformation allows for an efficient measurement of the orbital angular momentum content of an input light beam.We characterise the channel capacity of the system for 50 input modes, giving a maximum value of 3.46 bits per photon.Using an electron multiplying CCD (EMCCD) camera with a laser source attenuated such that on average there is less than one photon present within the system per measurement period, we demonstrate that the elements are efficient for the use in single photon experiments.