Dissipative solitons can emerge in a wide variety of dissipative nonlinear systems throughout the fields of optics, medicine or biology. Dissipative solitons can also exist in Kerr-nonlinear optical resonators and rely on the double balance between parametric gain and resonator loss on the one hand and nonlinearity and diffraction or dispersion on the other hand. Mathematically these solitons are solution to the Lugiato-Lefever equation and exist on top of a continuous wave (cw) background. Here we report the observation of temporal dissipative solitons in a high-Q optical microresonator. The solitons are spontaneously generated when the pump laser is tuned through the effective zero detuning point of a high-Q resonance, leading to an effective red-detuned pumping. Red-detuned pumping marks a fundamentally new operating regime in nonlinear microresonators. While usually unstablethis regime acquires unique stability in the presence of solitons without any active feedback on the system. The number of solitons in the resonator can be controlled via the pump laser detuning and transitions to and between soliton states are associated with discontinuous steps in the resonator transmission. Beyond enabling to study soliton physics such as soliton crystals our observations open the route towards compact, high repetition-rate femto-second sources, where the operating wavelength is not bound to the availability of broadband laser gain media. The single soliton states correspond in the frequency domain to low-noise optical frequency combs with smooth spectral envelopes, critical to applications in broadband spectroscopy, telecommunications, astronomy and low phase-noise microwave generation.

We demonstrate the quality factor Q - (0.8 +/- 0.1) x 10(10) of whispering-gallery modes in fused-silica microspheres at 633 nm, close to the ultimate level determined by fundamental material attenuation as measured in optical fibers. The lifetime of ultimate Q is limited by adsorption of atmospheric water. Monitoring of adsorption kinetics with submonolayer sensitivity by Q factors and frequencies of whispering-gallery modes is demonstrated. The possibility of supermaterial Q's owing to intrinsic suppression of scattering losses in micropheres is discussed.

Timing on a chip Laser-induced optical frequency combs allow precision measurements and affect a broad range of technologies. Brasch et al. generated optical frequency combs on an optical chip (see the Perspective by Akhmediev and Devine). They induced an optical soliton, or optical bullet, and propagated it in an engineered microcavity waveguide. The emitted output light formed a coherent comb of frequencies spanning two-thirds of an octave. Such an on-chip demonstration bodes well for miniaturization of metrological technology and its adaption for widespread application. Science , this issue p. 357 ; see also p. 340

The properties of optical resonators with quality-factor Q⩾108, effective volume of e.m. field localization Veff≈10−9 cm3 and threshold power of optical bistability Wbist≈10−5 W are described. The prospects to reduce Veff and Wbist are discussed. With possible reduction of controlling energy of optical switching down to a single quantum and employment of the monophotonic states of light, the whispering-gallery microresonators can open the way to realize Feynman's quantum-mechanical computer.

Optical frequency combs allow for precise measurement of optical frequencies and are used in a growing number of applications beyond spectroscopy and optical frequency metrology. A class of compact microresonator based frequency comb generators has emerged recently based on (hyper)-parametric frequency conversion, mediated by the Kerr-non-linearity, of a continuous wave laser beam. Despite the rapid progress and the emergence of a wide variety of micro-resonator Kerr-comb platforms, an understanding of the dynamics of the Kerr comb formation is still lacking. In particular the question in which regime low phase noise performance can be achieved has so far not been answered but is of critical importance for future application of this technology. Here an universal, platform independent understanding of the Kerr-comb formation dynamics based on experimental observations in crystalline MgF2 and planar Si3N4 comb generators is given. This explains a wide range of hereto not understood phenomena and reveals for the first time the underlying condition for low phase noise performance.

A general model is presented for coupling of high-$Q$ whispering-gallery modes in optical microsphere resonators with coupler devices possessing discrete and continuous spectrum of propagating modes. By contrast to conventional high-Q optical cavities, in microspheres independence of high intrinsic quality-factor and controllable parameters of coupling via evanescent field offer variety of regimes earlier available in RF devices. The theory is applied to the earlier-reported data on different types of couplers to microsphere resonators and complemented by experimental demonstration of enhanced coupling efficiency (about 80%) and variable loading regimes with Q>10^8 fused silica microspheres.

The Rayleigh scattering has to be largely suppressed in high-Q whispering-gallery modes in microspheres because of restrictions imposed on scattering angles by cavity confinement. Earlier estimates of the fundamental limit for the quality factor in fused-silica microspheres are revisited, and Q≃1012 is predicted in few-millimeter-size fused-silica spheres, if the surface hydration problem is ovecome. Particular effects of surface scattering losses are analyzed, and the manifestation of scattering in the form of intermode coupling is calculated. The predominant effect of counterpropagating mode coupling (intracavity backscattering) is analyzed in the presence of a mode-matched traveling-wave coupler. As much as 100% resonance reflection regime is shown to be feasible.

Dissipative temporal Kerr solitons in optical microresonators enable to convert a continuous wave laser into a train of femtosecond pulses. Of particular interest are single soliton states, whose $\mathrm{sech}^{2}$ spectral envelope provides a spectrally smooth and low noise optical frequency comb, and that recently have been generated in crystalline, silica, and silicon-nitride resonators. Here, we study the dynamics of multiple soliton states containing ${N}$ solitons and report the discovery of a novel, yet simple mechanism which makes it possible to reduce deterministically the number of solitons, one by one, i.e. ${N\! \to\! N\!-\!1\! \to\! \dots \!\to\! 1}$. By applying weak phase modulation, we directly characterize the soliton state via a double-resonance response. The dynamical probing demonstrates that transitions occur in a predictable way, and thereby enables us to map experimentally the underlying multi-stability diagram of dissipative Kerr solitons. These measurements reveal the "lifted" degeneracy of soliton states as a result of the power-dependent thermal shift of the cavity resonance (i.e. the thermal nonlinearity). The experimental results are in agreement with theoretical and numerical analysis that incorporate the thermal nonlinearity. By studying two different microresonator platforms (integrated $\mathrm{Si_{3}N_{4}}$ microresonators and crystalline $\mathrm{MgF_{2}}$ resonators) we confirm that these effects have a universal nature. Beyond elucidating the fundamental dynamical properties of dissipative Kerr solitons the observed phenomena are also of practical relevance, providing a manipulation toolbox which enables to sequentially reduce, monitor and stabilize the number ${N}$ of solitons, preventing it from decay. Achieving reliable single soliton operation and stabilization in this manner in optical resonators is imperative to applications.

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 formation of temporal dissipative solitons in optical microresonators enables compact, high-repetition rate sources of ultrashort pulses as well as low noise, broadband optical frequency combs with smooth spectral envelopes. Here we study the influence of the microresonator mode spectrum on temporal soliton formation in a crystalline ${\mathrm{MgF}}_{2}$ microresonator. While an overall anomalous group velocity dispersion is required, it is found that higher order dispersion can be tolerated as long as it does not dominate the resonator's mode structure. Avoided mode crossings induced by linear mode coupling in the resonator mode spectrum are found to prevent soliton formation when affecting resonator modes close to the pump laser frequency. The experimental observations are in excellent agreement with numerical simulations based on the nonlinear coupled mode equations. The presented results provide for the first time design criteria for the generation of temporal solitons in optical microresonators.