Frequency combs produced by solitons in silicon-based optical microresonators are used to transmit data streams of more than 50 terabits per second in telecommunication wavelength bands. Frequency combs—light sources that emit a wide spectrum of sharp lines with equally spaced frequencies—have recently become of interest for use in high-capacity optical data transmission. The possibility of producing frequency combs using compact, chip-integrated microresonators promises scalability and practical applicability. Christian Koos et al. make use of a recently developed technique whereby frequency combs are produced by continuously circulating optical solitons—waveforms that preserve their shape during propagation—in silicon-based microresonators. They use two interleaved, chip-based frequency combs to demonstrate transmission of a data stream of more than 50 terabits per second on 179 individual optical carriers in telecommunication wavelength bands. The technology could be used to develop efficient, highly scalable communication systems that could help to address the challenge of a continually growing demand for data capacity. Solitons are waveforms that preserve their shape while propagating, as a result of a balance of dispersion and nonlinearity1,2. Soliton-based data transmission schemes were investigated in the 1980s and showed promise as a way of overcoming the limitations imposed by dispersion of optical fibres. However, these approaches were later abandoned in favour of wavelength-division multiplexing schemes, which are easier to implement and offer improved scalability to higher data rates. Here we show that solitons could make a comeback in optical communications, not as a competitor but as a key element of massively parallel wavelength-division multiplexing. Instead of encoding data on the soliton pulse train itself, we use continuous-wave tones of the associated frequency comb as carriers for communication. Dissipative Kerr solitons (DKSs)3,4 (solitons that rely on a double balance of parametric gain and cavity loss, as well as dispersion and nonlinearity) are generated as continuously circulating pulses in an integrated silicon nitride microresonator5 via four-photon interactions mediated by the Kerr nonlinearity, leading to low-noise, spectrally smooth, broadband optical frequency combs6. We use two interleaved DKS frequency combs to transmit a data stream of more than 50 terabits per second on 179 individual optical carriers that span the entire telecommunication C and L bands (centred around infrared telecommunication wavelengths of 1.55 micrometres). We also demonstrate coherent detection of a wavelength-division multiplexing data stream by using a pair of DKS frequency combs—one as a multi-wavelength light source at the transmitter and the other as the corresponding local oscillator at the receiver. This approach exploits the scalability of microresonator-based DKS frequency comb sources for massively parallel optical communications at both the transmitter and the receiver. Our results demonstrate the potential of these sources to replace the arrays of continuous-wave lasers that are currently used in high-speed communications. In combination with advanced spatial multiplexing schemes7,8 and highly integrated silicon photonic circuits9, DKS frequency combs could bring chip-scale petabit-per-second transceivers into reach.

With the proliferation of ultra-high-speed mobile networks and internet-connected devices, along with the rise of artificial intelligence, the world is generating exponentially increasing amounts of data - data that needs to be processed in a fast, efficient and smart way. These developments are pushing the limits of existing computing paradigms, and highly parallelized, fast and scalable hardware concepts are becoming progressively more important. Here, we demonstrate a computational specific integrated photonic tensor core - the optical analog of an ASIC-capable of operating at Tera-Multiply-Accumulate per second (TMAC/s) speeds. The photonic core achieves parallelized photonic in-memory computing using phase-change memory arrays and photonic chip-based optical frequency combs (soliton microcombs). The computation is reduced to measuring the optical transmission of reconfigurable and non-resonant passive components and can operate at a bandwidth exceeding 14 GHz, limited only by the speed of the modulators and photodetectors. Given recent advances in hybrid integration of soliton microcombs at microwave line rates, ultra-low loss silicon nitride waveguides, and high speed on-chip detectors and modulators, our approach provides a path towards full CMOS wafer-scale integration of the photonic tensor core. While we focus on convolution processing, more generally our results indicate the major potential of integrated photonics for parallel, fast, and efficient computational hardware in demanding AI applications such as autonomous driving, live video processing, and next generation cloud computing services.

Miniaturized optical ranging and tracking Light detection and ranging systems are used in many engineering and environmental sensing applications. Their relatively large size and cost, however, tend to be prohibitive for general use in autonomous vehicles and drones. Suh and Vahala and Trocha et al. show that optical frequency combs generated by microresonator devices can be used for precision ranging and the tracking of fast-moving objects. The compact size of the microresonators could broaden the scope for widespread applications, providing a platform for miniaturized laser ranging systems suitable for photonic integration. Science , this issue p. 884 , p. 887

Coherent ranging, also known as frequency-modulated continuous-wave (FMCW) laser-based light detection and ranging (lidar)1 is used for long-range three-dimensional distance and velocimetry in autonomous driving2,3. FMCW lidar maps distance to frequency4,5 using frequency-chirped waveforms and simultaneously measures the Doppler shift of the reflected laser light, similar to sonar or radar6,7 and coherent detection prevents interference from sunlight and other lidar systems. However, coherent ranging has a lower acquisition speed and requires precisely chirped8 and highly coherent5 laser sources, hindering widespread use of the lidar system and impeding parallelization, compared to modern time-of-flight ranging systems that use arrays of individual lasers. Here we demonstrate a massively parallel coherent lidar scheme using an ultra-low-loss photonic chip-based soliton microcomb9. By fast chirping of the pump laser in the soliton existence range10 of a microcomb with amplitudes of up to several gigahertz and a sweep rate of up to ten megahertz, a rapid frequency change occurs in the underlying carrier waveform of the soliton pulse stream, but the pulse-to-pulse repetition rate of the soliton pulse stream is retained. As a result, the chirp from a single narrow-linewidth pump laser is transferred to all spectral comb teeth of the soliton at once, thus enabling parallelism in the FMCW lidar. Using this approach we generate 30 distinct channels, demonstrating both parallel distance and velocity measurements at an equivalent rate of three megapixels per second, with the potential to improve sampling rates beyond 150 megapixels per second and to increase the image refresh rate of the FMCW lidar by up to two orders of magnitude without deterioration of eye safety. This approach, when combined with photonic phase arrays11 based on nanophotonic gratings12, provides a technological basis for compact, massively parallel and ultrahigh-frame-rate coherent lidar systems. A massively parallel coherent light detection and ranging (lidar) scheme using a soliton microcomb—a light source that emits a wide spectrum of sharp lines with equally spaced frequencies—is described.

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.

Microwave photonic technologies, which upshift the carrier into the optical domain, have facilitated the generation and processing of ultra-wideband electronic signals at vastly reduced fractional bandwidths. For microwave photonic applications such as radars, optical communications and low-noise microwave generation, optical frequency combs are useful building blocks. By virtue of soliton microcombs, frequency combs can now be built using CMOS-compatible photonic integrated circuits. Yet, currently developed integrated soliton microcombs all operate with repetition rates significantly beyond those that conventional electronics can detect, preventing their use in microwave photonics. Access to this regime is challenging due to the required ultra-low waveguide loss and large dimensions of the nanophotonic resonators. Here, we demonstrate soliton microcombs operating in two widely employed microwave bands, the X-band (~10 GHz, for radar) and the K-band (~20 GHz, for 5G). Driven by a low-noise fibre laser, these devices produce more than 300 frequency lines within the 3 dB bandwidth, and generate microwave signals featuring phase noise levels comparable to modern electronic microwave oscillators. Our results establish integrated microcombs as viable low-noise microwave generators. Furthermore, the low soliton repetition rates are critical for future dense wavelength-division multiplexing channel generation schemes and could significantly reduce the system complexity of soliton-based integrated frequency synthesizers and atomic clocks. Nanophotonic microwave synthesizers in the X-band (10 GHz, for radar) and K-band (20 GHz, for 5G), based on integrated soliton microcombs driven by a low-noise fibre laser, link the fields of microwave photonics and integrated microcombs.

Octave-spanning, self-referenced frequency combs are applied in diverse fields ranging from precision metrology to astrophysical spectrometer calibration. In the past decade, Kerr frequency comb generators have emerged as alternative scheme offering chip-scale integration, high repetition rate and bandwidths that are only limited by group velocity dispersion. The recent observation of Kerr frequency combs operating in the dissipative Kerr soliton (DKS) regime, along with dispersive wave formation, has provided the means for fully coherent, broadband Kerr frequency comb generation with engineered spectral envelope. Here, by carefully optimizing the photonic Damascene fabrication process, and dispersion engineering of $\mathrm{Si_{3}N_{4}}$ microresonators with $1\,\mathrm{THz}$ free spectral range, we achieve bandwidths exceeding one octave at low powers ($\mathcal{O}(100\,\mathrm{mW})$) for pump lasers residing in the telecom C-band ($1.55\,\mathrm{\mu m}$), as well as for the first time in the O-band ($1.3\,\mathrm{\mu m}$). Equally important, we find that for THz repetition rate comb states, conventional criteria applied to identify DKS comb states fail. Investigating the coherence of generated, octave-spanning Kerr comb states we unambiguously identify DKS states using a response measurement. This allows to demonstrate octave-spanning DKS comb states at both pump laser wavelengths of $1.3\mathrm{\,\mu m}$ and $1.55\,\mathrm{\mu m}$ including the broadest DKS state generated to date, spanning more than $200\,\mathrm{THz}$ of optical bandwidth. Octave spanning DKS frequency combs can form essential building blocks for metrology or spectroscopy, and their operation at $1.3\mathrm{\,\mu m}$ enables applications in life sciences such as Kerr comb based optical coherence tomography or dual comb coherent antistokes Raman scattering.

The formation of temporal dissipative solitons in continuous wave laser driven microresonators enables the generation of coherent, broadband and spectrally smooth optical frequency combs as well as femtosecond pulses with compact form factor. Here we report for the first time on the observation of a Raman-induced soliton self-frequency shift for a microresonator soliton. The Raman effect manifests itself in amorphous SiN microresonator based single soliton states by a spectrum that is hyperbolic secant in shape, but whose center is spectrally red-shifted (i.e. offset) from the continuous wave pump laser. The Raman induced spectral red-shift is found to be tunable via the pump laser detuning and grows linearly with peak power. The shift is theoretically described by the first order shock term of the material's Raman response, and we infer a Raman shock time of 20 fs for amorphous SiN. Moreover, we observe that the Raman induced frequency shift can lead to a cancellation or overcompensation of the soliton recoil caused by the formation of a (coherent) dispersive wave. The observations are in excellent agreement with numerical simulations based on the Lugiato-Lefever equation (LLE) with a Raman shock term. Our results contribute to the understanding of Kerr frequency combs in the soliton regime, enable to substantially improve the accuracy of modeling and are relevant to the fundamental timing jitter of microresonator solitons.