Integrated-photonics microchips now enable a range of advanced functionalities for high-coherence applications such as data transmission, highly optimized physical sensors, and harnessing quantum states, but with cost, efficiency, and portability much beyond tabletop experiments. Through high-volume semiconductor processing built around advanced materials there exists an opportunity for integrated devices to impact applications cutting across disciplines of basic science and technology. Here we show how to synthesize the absolute frequency of a lightwave signal, using integrated photonics to implement lasers, system interconnects, and nonlinear frequency comb generation. The laser frequency output of our synthesizer is programmed by a microwave clock across 4 THz near 1550 nm with 1 Hz resolution and traceability to the SI second. This is accomplished with a heterogeneously integrated III/V-Si tunable laser, which is guided by dual dissipative-Kerr-soliton frequency combs fabricated on silicon chips. Through out-of-loop measurements of the phase-coherent, microwave-to-optical link, we verify that the fractional-frequency instability of the integrated photonics synthesizer matches the $7.0*10^{-13}$ reference-clock instability for a 1 second acquisition, and constrain any synthesis error to $7.7*10^{-15}$ while stepping the synthesizer across the telecommunication C band. Any application of an optical frequency source would be enabled by the precision optical synthesis presented here. Building on the ubiquitous capability in the microwave domain, our results demonstrate a first path to synthesis with integrated photonics, leveraging low-cost, low-power, and compact features that will be critical for its widespread use.

Increasing our understanding of regional greenhouse gas transport, sources, and sinks requires accurate, precise, continuous measurements of small gas enhancements over long ranges. We demonstrate a coherent dual frequency-comb spectroscopy technique capable of achieving these goals. Spectra are acquired spanning 5990 to 6260 cm−1 (1600–1670 nm) covering ∼700 absorption features from CO2, CH4, H2O, HDO, and CO213, across a 2 km path. The spectra have sub-1-kHz frequency accuracy, no instrument lineshape, and a 0.0033 cm−1 point spacing. They are fit with different absorption models to yield dry-air mole fractions of greenhouse gases. These results are compared with a point sensor under well-mixed conditions to evaluate the accuracy of models critical to global satellite-based trace gas monitoring. Under heterogeneous conditions, time-resolved data demonstrate tracking of small variations in mole fractions, with a precision <1 ppm for CO2 and <3 ppb for CH4 in 5 min. Portable systems could enable regional monitoring.

We describe the design, fabrication, and performance of a self-referenced, optically coherent frequency comb. The system robustness is derived from a combination of an optics package based on polarization-maintaining fiber, saturable absorbers for mode-locking, high signal-to-noise ratio (SNR) detection of the control signals, and digital feedback control for frequency stabilization. The output is phase-coherent over a 1-2 μm octave-spanning spectrum with a pulse repetition rate of ∼200 MHz and a residual pulse-to-pulse timing jitter &lt;3 fs well within the requirements of most frequency-comb applications. Digital control enables phase coherent operation for over 90 h, critical for phase-sensitive applications such as timekeeping. We show that this phase-slip free operation follows the fundamental limit set by the SNR of the control signals. Performance metrics from three nearly identical combs are presented. This laptop-sized comb should enable a wide-range of applications beyond the laboratory.

Microwave atomic clocks can easily be synchronized across long distances using RF methods. Their more precise optical cousins require a subtler approach.

The Black Hole Explorer (BHEX) is a space very-long-baseline interferometry (VLBI) mission concept that is currently under development. BHEX will study supermassive black holes at unprecedented resolution, isolating the signature of the "photon ring" — light that has orbited the black hole before escaping — to probe physics at the edge of the observable universe. It will also measure black hole spins, study the energy extraction and acceleration mechanisms for black hole jets, and characterize the black hole mass distribution. BHEX achieves high angular resolution by joining with ground-based millimeter-wavelength VLBI arrays, extending the size, and therefore improving the angular resolution of the earthbound telescopes. Here we discuss the science instrument concept for BHEX. The science instrument for BHEX is a dual-band, coherent receiver system for 80-320 GHz, coupled to a 3.5-meter antenna. BHEX receiver front end will observe simultaneously with dual polarizations in two bands, one sampling 80-106 GHz and one sampling 240-320 GHz. An ultra-stable quartz oscillator provides the master frequency reference and ensures coherence for tens of seconds. To achieve the required sensitivity, the front end will instantaneously receive 32 GHz of frequency bandwidth, which will be digitized to 64 Gbits/sec of incompressible raw data. These data will be buffered and transmitted to the ground via laser data link, for correlation with data recorded simultaneously at radio telescopes on the ground. We describe the challenges associated with the instrument concept and the solutions that have been incorporated into the baseline design.