The quest towards the integration of ultra-fast, high-precision optical clocks is reflected in the large number of high-impact papers on the topic published in the last few years. This interest has been catalysed by the impact that high-precision optical frequency combs (OFCs) have had on metrology and spectroscopy in the last decade [[1], [2], [3], [4], [5]]. OFCs are often referred to as optical rulers: their spectra consist of a precise sequence of discrete and equally-spaced spectral lines that represent precise marks in frequency. Their importance was recognised worldwide with the 2005 Nobel Prize being awarded to T.W. Hänsch and J. Hall for their breakthrough in OFC science [5]. They demonstrated that a coherent OFC source with a large spectrum – covering at least one octave – can be stabilised with a self-referenced approach, where the frequency and the phase do not vary and are completely determined by the source physical parameters. These fully stabilised OFCs solved the challenge of directly measuring optical frequencies and are now exploited as the most accurate time references available, ready to replace the current standard for time. Very recent advancements in the fabrication technology of optical micro-cavities [6] are contributing to the development of OFC sources. These efforts may open up the way to realise ultra-fast and stable optical clocks and pulsed sources with extremely high repetition-rates, in the form of compact and integrated devices. Indeed, the fabrication of high-quality factor (high-Q) micro-resonators, capable of dramatically amplifying the optical field, can be considered a photonics breakthrough that has boosted not only the scientific investigation of OFC sources [[8], [13], [11], [12], [10], [7], [9]] but also of optical sensors and compact light modulators [[14], [6]]. In this framework, the demonstration of planar high-Q resonators, compatible with silicon technology [[14], [13], [11], [12], [10]], has opened up a unique opportunity for these devices to provide entirely new capabilities for photonic-integrated technologies. Indeed, it is well acknowledged by the electronics industry that future generations of computer processing chips will inevitably require an extremely high density of copper-based interconnections, significantly increasing the chip power dissipation to beyond practical levels [[15], [16], [17]]; hence, conventional approaches to chip design must undergo radical changes. On-chip optical networks, or optical interconnects, can offer high speed and low energy per-transferred-bit, and micro-resonators are widely seen as a key component to interface the electronic world with photonics. Many information technology industries have recently focused on the development of integrated ring resonators to be employed for electrically-controlled light modulators [[14], [15], [16], [17]], greatly advancing the maturity of micro-resonator technology as a whole. Recently [[13], [11], [12]], the demonstration of OFC sources in micro-resonators fabricated in electronic (i.e. in complementary metal oxide semiconductor (CMOS)) compatible platforms has given micro-cavities an additional appeal, with the possibility of exploiting them as light sources in microchips. This scenario is creating fierce competition in developing highly efficient OFC generators based on micro-cavities which can radically change the nature of information transport and processing. Even in telecommunications, perhaps a more conventional environment for optical technologies, novel time-division multiplexed optical systems will require extremely stable optical clocks at ultra-high pulse repetition-rates towards the THz scale. Furthermore, arbitrary pulse generators based on OFC [[18], [19]] are seen as one of the most promising solutions for this next generation of high-capacity optical coherent communication systems. This review will summarise the recent exciting achievements in the field of micro-combs, namely optical frequency combs based on high-Q micro-resonators, with a perspective on both the potential of this technology, as well as the open questions and challenges that remain.

Cooling of a 58 MHz micromechanical resonator from room temperature to 11 K is demonstrated using cavity enhanced radiation pressure. Detuned pumping of an optical resonance allows enhancement of the blueshifted motional sideband (caused by the oscillator's Brownian motion) with respect to the redshifted sideband leading to cooling of the mechanical oscillator mode. The reported cooling mechanism is a manifestation of the effect of radiation pressure induced dynamical backaction. These results constitute an important step towards achieving ground state cooling of a mechanical oscillator.

Strongly interacting solitons confined to an optical resonator would offer unique capabilities for experiments in communication, computation, and sensing with light. Here we report on the discovery of soliton crystals in monolithic Kerr microresonators-spontaneously and collectively ordered ensembles of co-propagating solitons whose interactions discretize their allowed temporal separations. We unambiguously identify and characterize soliton crystals through analysis of their 'fingerprint' optical spectra, which arise from spectral interference between the solitons. We identify a rich space of soliton crystals exhibiting crystallographic defects, and time-domain measurements directly confirm our inference of their crystal structure. The crystallization we observe is explained by long-range soliton interactions mediated by resonator mode degeneracies, and we probe the qualitative difference between soliton crystals and a soliton liquid that forms in the absence of these interactions. Our work explores the rich physics of monolithic Kerr resonators in a new regime of dense soliton occupation and offers a way to greatly increase the efficiency of Kerr combs; further, the extreme degeneracy of the configuration space of soliton crystals suggests an implementation for a robust on-chip optical buffer.

Optical frequency combs serve as the clockwork of optical clocks, which are now the best time-keeping systems in existence.The use of precise optical time and frequency technology in various applications beyond the research lab remains a significant challenge, but one that integrated microresonator technology is poised to address.Here, we report a silicon-chip-based microresonator comb optical clock that converts an optical frequency reference to a microwave signal.A comb spectrum with a 25 THz span is generated with a 2 mm diameter silica disk and broadening in nonlinear fiber.This spectrum is stabilized to rubidium frequency references separated by 3.5 THz by controlling two teeth 108 modes apart.The optical clock's output is the electronically countable 33 GHz microcomb line spacing, which features stability better than the rubidium transitions by the expected factor of 108.Our work demonstrates the comprehensive set of tools needed for interfacing microcombs to state-of-the-art optical clocks.

Optical frequency combs have revolutionized the field of frequency metrology within the last decade and have become enabling tools for atomic clocks, gas sensing and astrophysical spectrometer calibration. The rapidly increasing number of applications has heightened interest in more compact comb generators. Optical microresonator based comb generators bear promise in this regard. Critical to their future use as 'frequency markers', is however the absolute frequency stabilization of the optical comb spectrum. A powerful technique for this stabilization is self-referencing, which requires a spectrum that spans a full octave, i.e. a factor of two in frequency. In the case of mode locked lasers, overcoming the limited bandwidth has become possible only with the advent of photonic crystal fibres for supercontinuum generation. Here, we report for the first time the generation of an octave-spanning frequency comb directly from a toroidal microresonator on a silicon chip. The comb spectrum covers the wavelength range from 990 nm to 2170 nm and is retrieved from a continuous wave laser interacting with the modes of an ultra high Q microresonator, without relying on external broadening. Full tunability of the generated frequency comb over a bandwidth exceeding an entire free spectral range is demonstrated. This allows positioning of a frequency comb mode to any desired frequency within the comb bandwidth. The ability to derive octave spanning spectra from microresonator comb generators represents a key step towards achieving a radio-frequency to optical link on a chip, which could unify the fields of metrology with micro- and nano-photonics and enable entirely new devices that bring frequency metrology into a chip scale setting for compact applications such as space based optical clocks.

The mid-infrared spectral range (λ~2–20 μm) is of particular importance as many molecules exhibit strong vibrational fingerprints in this region. Optical frequency combs—broadband optical sources consisting of equally spaced and mutually coherent sharp lines—are creating new opportunities for advanced spectroscopy. Here we demonstrate a novel approach to create mid-infrared optical frequency combs via four-wave mixing in a continuous-wave pumped ultra-high Q crystalline microresonator made of magnesium fluoride. Careful choice of the resonator material and design made it possible to generate a broadband, low-phase noise Kerr comb at λ=2.5 μm spanning 200 nm (≈10 THz) with a line spacing of 100 GHz. With its distinguishing features of compactness, efficient conversion, large mode spacing and high power per comb line, this novel frequency comb source holds promise for new approaches to molecular spectroscopy and is suitable to be extended further into the mid-infrared. Optical frequency combs are vital tools for precision measurements, and extending them further into the mid-infrared 'molecular fingerprint' range will open new avenues for spectroscopy. Using crystalline microresonators, Wang et al. demonstrate Kerr combs at 2.5 μm as a promising route into the mid-infrared.

Advances in laser spectroscopy have enabled many scientific breakthroughs in physics, chemistry, biology, and astronomy. Optical frequency combs pushed measurement limits with ultrahigh-frequency accuracy and fast-measurement speed, while tunable-diode-laser spectroscopy is used in scenarios that require high power and continuous spectral coverage. Despite these advantages of tunable-diode-laser spectroscopy, it is challenging to precisely determine the instantaneous laser frequency because of fluctuations in the scan speed. Here, we demonstrate a simple spectroscopy scheme with a frequency-modulated diode laser that references the laser on-the-fly to a fiber cavity. The fiber cavity's free spectral range is on-the-fly calibrated with sub-10-Hz frequency precision. We achieve a relative precision of the laser frequency of 2×10−8 for an 11-THz frequency range at a measurement speed of 1 THz/s. This is an improvement of more than 2 orders of magnitude compared to existing diode-laser-spectroscopy methods. Our scheme provides precise frequency calibration markers, while simultaneously tracking the instantaneous scan speed of the laser. We demonstrate the versatility of our method through various applications, including dispersion measurement of a fiber, ultrahigh-Q microresonators, and spectroscopy of a hydrogen fluoride gas cell. The simplicity, robustness, and low cost of this spectroscopy scheme are valuable for out-of-the-lab applications like lidar and environmental monitoring.