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.

Laboratory optical atomic clocks achieve remarkable accuracy (now counted to 18 digits or more), opening possibilities for exploring fundamental physics and enabling new measurements. However, their size and the use of bulk components prevent them from being more widely adopted in applications that require precision timing. By leveraging silicon-chip photonics for integration and to reduce component size and complexity, we demonstrate a compact optical-clock architecture. Here a semiconductor laser is stabilized to an optical transition in a microfabricated rubidium vapor cell, and a pair of interlocked Kerr-microresonator frequency combs provide fully coherent optical division of the clock laser to generate an electronic 22 GHz clock signal with a fractional frequency instability of one part in 1013. These results demonstrate key concepts of how to use silicon-chip devices in future portable and ultraprecise optical clocks.

We demonstrate all-optical quenching of integrated frequency comb intrinsic noise through Kerr-induced synchronization (KIS). Despite using free-running lasers, KIS enables repetition rate noise below the thermo-refractive noise limit, with narrow individual comb lines across an octave.

Temporal cavity solitons, or dissipative Kerr solitons (DKSs) in integrated microresonators, are essential for deployable metrology technologies. Such applications favor the lowest noise state, typically the single-DKS state where one soliton is in the resonator. Other multi-DKS states can also be reached, offering better conversion efficiency and thermal stability, potentially simplifying DKS-based technologies. Yet they exhibit more noise due to relative soliton jitter and are usually not compatible with targeted applications. We demonstrate that Kerr-induced synchronization, an all-optical trapping technique, can azimuthally pin the multi-DKS state to a common reference field. This method ensures repetition rate noise is independent of the number of solitons, making a multi-DKS state indistinguishable from a single-DKS state in that regard, akin to trapped-soliton molecule behavior. Supported by theoretical analysis and experimental demonstration in an integrated microresonator, this approach provides metrological capacity regardless of the number of cavity solitons, benefiting numerous DKS-based metrology applications.