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.

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

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.

High confinement, integrated silicon nitride (SiN) waveguides have recently emerged as attractive platform for on-chip nonlinear optical devices.The fabrication of high-Q SiN microresonators with anomalous group velocity dispersion (GVD) has enabled broadband nonlinear optical frequency comb generation.Such frequency combs have been successfully applied in coherent communication and ultrashort pulse generation.However, the reliable fabrication of high confinement waveguides from stoichiometric, high stress SiN remains challenging.Here we present a novel photonic Damascene fabrication process enabling the use of substrate topography for stress control and thin film crack prevention.With close to unity sample yield we fabricate microresonators with 1.35 µm thick waveguides and optical Q factors of 3.7 × 10 6 and demonstrate single temporal dissipative Kerr soliton (DKS) based coherent optical frequency comb generation.Our newly developed process is interesting also for other material platforms, photonic integration and mid infrared Kerr comb generation.

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.