Over the years extensive studies have been carried out to apply coherent optics methods in real-time communications and image transmission. This is especially true when a large amount of information needs to be processed, e.g., in high-resolution imaging. The recent progress in data-processing networks and communication systems has considerably increased the capacity of information exchange. However, the transmitted data can be intercepted by nonauthorized people. This explains why considerable effort is being devoted at the current time to data encryption and secure transmission. In addition, only a small part of the overall information is really useful for many applications. Consequently, applications can tolerate information compression that requires important processing when the transmission bit rate is taken into account. To enable efficient and secure information exchange, it is often necessary to reduce the amount of transmitted information. In this context, much work has been undertaken using the principle of coherent optics filtering for selecting relevant information and encrypting it. Compression and encryption operations are often carried out separately, although they are strongly related and can influence each other. Optical processing methodologies, based on filtering, are described that are applicable to transmission and/or data storage. Finally, the advantages and limitations of a set of optical compression and encryption methods are discussed.

Information security and authentication are important challenges facing society. Recent attacks by hackers on the databases of large commercial and financial companies have demonstrated that more research and development of advanced approaches are necessary to deny unauthorized access to critical data. Free space optical technology has been investigated by many researchers in information security, encryption, and authentication. The main motivation for using optics and photonics for information security is that optical waveforms possess many complex degrees of freedom such as amplitude, phase, polarization, large bandwidth, nonlinear transformations, quantum properties of photons, and multiplexing that can be combined in many ways to make information encryption more secure and more difficult to attack. This roadmap article presents an overview of the potential, recent advances, and challenges of optical security and encryption using free space optics. The roadmap on optical security is comprised of six categories that together include 16 short sections written by authors who have made relevant contributions in this field. The first category of this roadmap describes novel encryption approaches, including secure optical sensing which summarizes double random phase encryption applications and flaws [Yamaguchi], the digital holographic encryption in free space optical technique which describes encryption using multidimensional digital holography [Nomura], simultaneous encryption of multiple signals [Pérez-Cabré], asymmetric methods based on information truncation [Nishchal], and dynamic encryption of video sequences [Torroba]. Asymmetric and one-way cryptosystems are analyzed by Peng. The second category is on compression for encryption. In their respective contributions, Alfalou and Stern propose similar goals involving compressed data and compressive sensing encryption. The very important area of cryptanalysis is the topic of the third category with two sections: Sheridan reviews phase retrieval algorithms to perform different attacks, whereas Situ discusses nonlinear optical encryption techniques and the development of a rigorous optical information security theory. The fourth category with two contributions reports how encryption could be implemented at the nano- or micro-scale. Naruse discusses the use of nanostructures in security applications and Carnicer proposes encoding information in a tightly focused beam. In the fifth category, encryption based on ghost imaging using single-pixel detectors is also considered. In particular, the authors [Chen, Tajahuerce] emphasize the need for more specialized hardware and image processing algorithms. Finally, in the sixth category, Mosk and Javidi analyze in their corresponding papers how quantum imaging can benefit optical encryption systems. Sources that use few photons make encryption systems much more difficult to attack, providing a secure method for authentication.

Optical vortices carrying orbital angular momentum have drawn much attention because they provide high-dimensional encoding. Employing an array of optical vortices, we demonstrate an authentication verification system. For security authentication, an exclusive-OR logic operation has been implemented employing a light beam consisting of an array of vortices. A liquid crystal spatial light modulator has been used to generate orthogonal states of optical vortices. The proposed technique can provide a secure method of authentication with straightforward implementation. We have presented simulation and experimental results to verify the proposed scheme.