An optical transmitter irradiates a target region containing a bright thermal-noise bath in which a low-reflectivity object might be embedded. The light received from this region is used to decide whether the object is present or absent. The performance achieved using a coherent-state transmitter is compared with that of a quantum-illumination transmitter, i.e., one that employs the signal beam obtained from spontaneous parametric down-conversion. By making the optimum joint measurement on the light received from the target region together with the retained spontaneous parametric down-conversion idler beam, the quantum-illumination system realizes a 6 dB advantage in the error-probability exponent over the optimum reception coherent-state system. This advantage accrues despite there being no entanglement between the light collected from the target region and the retained idler beam.

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).

Ghost-imaging experiments correlate the outputs from two photodetectors: a high-spatial-resolution (scanning pinhole or CCD array) detector that measures a field that has not interacted with the object to be imaged, and a bucket (single-pixel) detector that collects a field that has interacted with the object. We give a comprehensive review of ghost imaging—within a unified Gaussian-state framework—presenting detailed analyses of its resolution, field of view, image contrast, and signal-to-noise ratio behavior. We consider three classes of illumination: thermal-state (classical), biphoton-state (quantum), and classical-state phase-sensitive light. The first two have been employed in a variety of ghost-imaging demonstrations. The third is the classical Gaussian state that produces ghost images that most closely mimic those obtained from biphoton illumination. The insights we develop lead naturally to a new, single-beam approach to ghost imaging, called computational ghost imaging, in which only the bucket detector is required. We provide quantitative results while simultaneously emphasizing the underlying physics of ghost imaging. The key to developing the latter understanding lies in the coherence behavior of a pair of Gaussian-state light beams with either phase-insensitive or phase-sensitive cross correlation.

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 simulate and analyze the mode properties and propagation effects of orbital angular momentum (OAM) modes in a ring fiber. A ring fiber with 0.05 up-doping is designed in simulation to support up to 10 OAM modes while maintaining single-mode condition radially. With a multiple-ring fiber, tens of OAM modes can be potentially multiplexed to greatly enhance the system capacity and spectral efficiency. The mode index difference can be maintained above 10 -4 over hundreds of nanometers optical bandwidth. Higher order OAM modes' azimuthal intensity and odd-order OAM modes' azimuthal phase show better tolerance to the fiber ellipticity. Moreover, higher order OAM modes also have longer 2π and 10-ps walk-off length. After 600-km propagation, OAM 0,4 mode shows <; 10-ps mode walk- off, even in a ring fiber with 1% ellipticity. Also, in such an elliptical fiber, the well-aligned OAM modes with different charges have <;-20 dB intermode crosstalk. The improvement of the circularity for the ring fiber is expected to reduce the crosstalk and increase the demultiplexing efficiency.