TIỂU SỬ

• Giáo sư hàng đầu tại Đại học Southampton và Giám đốc Viện Zepler về Quang tử và Trung tâm Nghiên cứu Quang điện tử.
• Đồng Giám đốc Viện Quang tử học, Trường Đại học Công nghệ Nayang, Singapore
• Chủ tịch danh dự của Hiệp hội Marconi
• Chủ nhiệm dự án của Trung tâm Sản xuất Quốc gia trong Quang tử Tương lai.

Payne sinh ngày 13/08/1944, quốc tịch Anh, là một nhà nghiên cứu tiên phong và nổi tiếng quốc tế về quang tử. Công nghệ sợi quang là một trong những thành công khoa học lớn nhất trong ba thập kỷ qua, làm nền tảng cho internet, cung cấp các tính năng laser và cảm biến môi trường mới, đồng thời thúc đẩy tăng trưởng vì lợi ích của tất cả các quốc gia.
Nghiên cứu của GS Payne trải dài trên nhiều lĩnh vực quang tử đa dạng, từ viễn thông và cảm biến quang học đến nanophotonics và vật liệu quang học, dẫn đến hầu hết tất cả các loại sợi đặc biệt được sử dụng ngày nay và có tác động trực tiếp đến viễn thông trên toàn thế giới, cũng như gần như tất cả các lĩnh vực R&D quang học.

Năm 1985, ông đã lãnh đạo nhóm nghiên cứu phát hiện ra laser sợi silica và Bộ khuếch đại quang học pha tạp Erbium (EDFA), thiết bị thúc đẩy sự phát triển bùng nổ của internet thông qua khả năng truyền và khuếch đại một lượng lớn dữ liệu. EDFA được nhiều người coi là một trong những bước phát triển quan trọng nhất trong lĩnh vực viễn thông hiện đại.

Mối quan tâm nghiên cứu chính hiện tại của ông là laser sợi quang công suất cao. Ông đã dẫn dắt nhóm nghiên cứu phá vỡ năng suất kỷ lục kilowatt đang có đối với lượng laser sợi quang và hiện đang nắm giữ nhiều kỷ lục hiệu suất laser sợi quang khác. Laser sợi quang đã cách mạng hóa các ứng dụng trong khoa học và công nghiệp và đã chứng kiến sự tăng trưởng nhanh chóng cho ứng dụng trong sản xuất. Payne đã có nhiều đóng góp hàng đầu cho các lĩnh vực đa dạng.

Payne đã xuất bản hơn 650 bài báo của Hội nghị và Tạp chí và được trao nhiều giải thưởng hàng đầu của Mỹ, châu Âu và Nhật Bản về quang tử, cũng như giải thưởng Rank tại Vương quốc Anh về Quang học và Giải thưởng IEEE Tyndall danh giá, giải Franklin (Hoa Kỳ) (với Emmanuel Desurvire), giải Eduard Rhein (Châu Âu) và giải Millennium (với Emmanuel Desurvire & Randy Giles). Năm 2013, ông được phong tước Hiệp sĩ vì những đóng góp cho quang tử trong Lễ vinh danh năm mới của Nữ hoàng và năm 2018 cùng với các đồng nghiệp của mình, ông đã giành được Giải thưởng Kỷ niệm của Nữ hoàng nhằm tôn vinh sự xuất sắc, đổi mới và lợi ích cho công cộng bởi các công trình được thực hiện tại các trường đại học Vương quốc Anh.

Payne là thành viên của Hiệp hội Hoàng gia, Học viện Kỹ thuật Hoàng gia, Học viện Kỹ thuật Ấn Độ, Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Ấn Độ và Na Uy, IET (Anh), IoP (Anh) và Hiệp hội Quang học Hoa Kỳ. Trong số nhiều giải thưởng, ông đã được trao Huy chương Mountbatten của IEE (2001), Huy chương Kelvin của 8 tổ chức kỹ thuật lớn vì sự đột phá trong ứng dụng khoa học tới kỹ thuật (2004), Giải thưởng IEEE Photonics (2007), Giải thưởng Marconi (2008), Giải thưởng IEEE James Clerk Maxwell (2014) và Leibinger Zukunftspreis (2022).
Ngoài các thành tích nghiên cứu, Payne còn là một doanh nhân hàng đầu. Ông đã kết hợp sự tinh hoa từ kiến thức khoa học hàng đầu thế giới với các hoạt động thương mại, và là động lực đằng sau của một nhóm gồm 10 công ty khởi nghiệp ở khu vực lân cận, tạo ra lợi ích về kinh tế và việc làm cho người dân.

“Trở thành chủ nhân giải thưởng khoa học công nghệ có tầm vóc quốc tế là một điều tuyệt với đối với tôi, đặc biệt là trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển phần cứng. Không chỉ chú trọng vào những công trình khoa học mang tính thời sự, VinFuture là một giải thưởng khoa học có tầm nhìn bao quát, và ghi nhận xứng đáng mọi nỗ lực nghiên cứu đang tạo ra những thay đổi ý nghĩa đến cuộc sống của hàng triệu người. Đây chính là động lực truyền cảm hứng cho những nhà khoa học trong các lĩnh vực ít được chú ý. Nếu những nghiên cứu của họ góp phần xây dựng một thế giới tốt đẹp hơn và phục vụ nhân loại, họ sẽ luôn được tôn vinh”

TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

Đến đầu những năm 1980, sợi quang được coi là tương lai cho viễn thông. Tuy nhiên, mặc dù tỷ lệ tổn thất thấp, tín hiệu quang học vẫn mờ dần đáng kể và không thể phát đi sau khoảng 100 km. Do đó, sợi quang phải được ngắt, tín hiệu quang được phát hiện và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Sau đó, nó được khuếch đại trong một bộ khuếch đại điện thông thường trước khi được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu quang trong một máy phát laser khác. ‘Bộ lặp’ điện này hoạt động khá giống một trạm thu phí trên đường cao tốc và chỉ giới hạn việc truyền tải ở một kênh quang. Người ta biết rằng các sợi quang học có thể đồng thời mang nhiều bước sóng quang độc lập (hoặc ‘màu sắc’) mà không trộn lẫn chúng, một quá trình được gọi là Ghép kênh phân chia bước sóng, hoặc WDM. Nhưng bộ lặp điện thấy tất cả các kênh chỉ là một tín hiệu quang và do đó sẽ xáo trộn chúng, làm cho các tín hiệu không thể phân biệt được. Để khắc phục nhược điểm nghiêm trọng này, cần có một bộ khuếch đại toàn quang thực tế có thể duy trì tính toàn vẹn của từng kênh quang và cho phép khai thác hết công suất của sợi quang.

Để giải quyết vấn đề này, vào năm1985, trong lĩnh vực sợi pha tạp đất hiếm, Payne đã lãnh đạo nhóm tại Đại học Southampton tập trung nghiên cứu và làm hồi sinh bước sóng viễn thông 55μm. Những báo cáo ban đầu từ nhóm Southampton này đã tạo động lực cho Desurvire, với tư cách là một chuyên gia về khuếch đại sợi quang học Raman khởi xướng nghiên cứu về Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium (EDFA) tại Phòng thí nghiệm AT&T Bell. Năm 1987, các nhóm này đã xuất bản ba bài báo đầu tiên về EDFA cho thấy rõ tiềm năng đáng chú ý của nó như một bộ khuếch đại tăng cường có độ lợi cao để sử dụng trong giai đoạn sớm của internet cáp quang.

Hiệu ứng sau các báo cáo của các phòng thí nghiệm tại Southampton và Bell Labs liên tục mở rộng với tốc độ ngoạn mục sau đó nhanh chóng được cộng đồng quốc tế về điện tham gia; làm việc online đặt dấu chấm hết cho tất cả các công nghệ cạnh tranh giúp toàn thế giới chuyển sang một cuộc đua để thương mại hóa bộ khuếch đại mới. Chúng ta cũng nên ghi nhận những đóng góp quan trọng của Tập đoàn Điện báo và Điện thoại Nippon – NTT, Nhật Bản trong việc biến EDFA thành hiện thực thông qua công việc của họ về bơm diode.

Việc khám phá, phát minh và phát triển sớm các bộ khuếch đại sợi quang thực tế đã cách mạng hóa viễn thông hiện đại, cả về công suất (băng thông) và phạm vi toàn cầu. Internet không thể được triển khai nếu không có gần một tỷ km cáp quang mà ngày nay mang 99% lưu lượng truy cập internet. EDFA không chỉ sẽ khai thác đầy đủ băng thông cáp quang (khoảng 100 THz hoặc khoảng 500 Tbit / s tín hiệu mạch lạc) mở ra con đường “trên thực tế” đi tới Ghép kênh phân chia bước sóng – WDM, mà còn có mức tiêu thụ năng lượng cũng là tối thiểu, gần với giới hạn vật lý đặt ra.

Nền tảng của internet đã được thực hiện về mặt vật lý nhờ các liên kết cáp quang xuyên đại dương và lục địa, trong đó EDFA trong luồng tái tạo các tín hiệu thông tin cứ sau 50 – 100 km, mà không bị biến dạng cũng như tắc nghẽn dung lượng của băng thông cáp quang khổng lồ. Ở các hòn đảo xa xôi hoặc các khu vực ven biển, cấu hình đặc biệt của tên lửa đẩy EDFA và bộ tiền khuếch đại cho phép truyền internet trên hơn 300 km cáp quang thụ động, do đó cho phép người dân từ xa giao tiếp với tốc độ nhanh hơn rất nhiều so với cáp vệ tinh hoặc cáp ngầm trước đây.

Hiện tại, các liên kết cáp quang mới với bộ lặp EDFA đang được triển khai với tốc độ hơn 400M km mỗi năm, kết nối các khu vực đô thị, ngoại ô và làng mạc với phần còn lại của thế giới.

QUY MÔ TÁC ĐỘNG

Trên quy mô toàn cầu, ở cả quy mô xuyên lục địa và vượt đại dương (ngoại trừ các khu vực nhỏ và dân cư thưa thớt được bao phủ bởi các vệ tinh), cho đến công nghệ kết nối cáp quang trực tiếp từ nhà mạng đến từng hộ gia đình hoặc doanh nghiệp Fibre-to-the-Home. Ngay cả mạng không dây (5G) cũng phụ thuộc vào mạng cáp quang cục bộ để truy cập và cấp nguồn ăng-ten. Nhân loại và xã hội, chính phủ, kinh tế, an ninh quốc phòng, và tất cả các dịch vụ viễn thông (công cộng, cá thể, doanh nghiệp hoặc các khu vực hạn chế) đều được cung cấp bởi World Wide Web.

MỨC ĐỘ THAY ĐỔI TÍCH CỰC

EDFA cho phép chuyển đổi các mạng toàn cầu trước đây bằng cách sử dụng các bộ lặp điện kiểu cũ bằng các bộ lặp toàn quang siêu tốc, không yêu cầu chuyển đổi từ ánh sáng sang điện. EDFA có khả năng tăng tín hiệu quang lên tới 10,000 lần với công suất 200 Tbit/s trong một sợi duy nhất. Nếu không có EDFA, Internet đã bị giới hạn ở dung lượng cáp khoảng 40-100 Gbit/s giữa các lục địa, dẫn tới có thể tăng đột biến về chi phí và thời gian chờ đợi. Mặc dù đã 35 năm tuổi, nhưng vẫn chưa có công nghệ nào có thể cạnh tranh với EDFA. WWW đã chuyển đổi cả xã hội và nền kinh tế, từ TCP/IP sang các dịch vụ online như e-mail, tệp đính kèm, bộ chứa đám mây, trung tâm dữ liệu, trang web và các dịch vụ khác. Điều này sẽ không thể thực hiện được nếu không có EDFA cần thiết cho phần cứng truyền tải internet. Ngày nay, các liên kết sợi quang mới đang được triển khai trên toàn thế giới với tốc độ hàng năm hơn 400 triệu km – gấp hai mươi lần tốc độ âm thanh! Và mỗi năm WWW truyền gần 5,000 Petabyte (5 triệu Gigabyte) đi qua EDFA cho mỗi 50 – 100 km của bất kỳ quãng đường cáp quang nào.