La próxima ola de innovación en fotónica

Einstein sentó las bases para la tecnología láser en su innovador artículo "La teoría cuántica de la radiación", publicado en 1917. Después de años de desarrollo, los primeros láseres ampliamente comercializados llegaron al mercado en la década de 1960, cuando se usaban para aplicaciones que iban desde la ciencia hasta la cirugía. Desde aquellos primeros días, la capacidad única de los láseres para crear un haz de luz estrecho y enfocado ha permitido muchos otros casos de uso, incluido el escaneo de códigos de barras, la secuenciación de ADN y la fabricación de chips semiconductores. En una de las aplicaciones más novedosas, el rover Curiosity de la NASA usó equipos habilitados con láser para hacer estallar rocas en Marte, lo que permitió a los científicos analizar los productos químicos en los vapores resultantes.

Este artículo es un esfuerzo de colaboración de Gaurav Batra, Ryan Fletcher, Kairat Kasymaliev, Abhijit Mahindroo y Nick Santhanam, que representa puntos de vista de la práctica de electrónica avanzada de McKinsey.

Aunque el mercado del láser ha aumentado constantemente desde la década de 1970, la innovación y el crecimiento de los ingresos se han ralentizado durante la última década. Muchas empresas de bajo coste han entrado en el mercado a medida que maduraba la tecnología central. Eso ejerció presión sobre el precio de venta promedio de los láseres utilizados en productos finales de gran volumen, incluidos los relacionados con la transmisión, el marcado y el grabado de telecomunicaciones y la biodetección. Pero el sector ahora puede estar en la cúspide de una nueva era de innovación en la que los láseres se combinan cada vez más con la óptica y los sensores para permitir aplicaciones aún más sofisticadas. Estos dispositivos integrados, muchos de los cuales todavía están en desarrollo en varias industrias, no solo podrían hacer que el mercado del láser vuelva a una trayectoria de alto crecimiento, sino que también podrían convertirse en la principal fuente de valor.

Para ayudar a las partes interesadas de la industria fotónica a evaluar las oportunidades futuras, evaluamos los desarrollos recientes en los mercados finales de láser. Luego exploramos los sectores de la óptica y los sensores en detalle, centrándonos en las capacidades únicas que estas tecnologías pueden proporcionar cuando se combinan con láseres. Las partes interesadas de la industria, incluidos propietarios, operadores y miembros de la junta, han reconocido estas ventajas y se están moviendo rápidamente para ampliar las capacidades tecnológicas de sus empresas a través de fusiones, adquisiciones y asociaciones estratégicas. Los inversores también están prestando atención.

Aunque la tecnología láser ha madurado continuamente desde sus inicios, se destacan dos eras de innovación. A lo largo de las décadas de 1970 y 1980, los investigadores hicieron importantes descubrimientos en la física del láser central que hicieron avanzar la tecnología, aunque muchas aplicaciones se limitaron a entornos científicos, de laboratorio y de investigación y desarrollo. Y durante las últimas tres décadas, los dispositivos láser realmente pasaron del laboratorio a la esfera comercial a medida que se refinaban para mejorar el rendimiento, la robustez y la confiabilidad. Muchas aplicaciones nuevas de láser, como cirugía, litografía y soldadura, surgieron en este momento, lo que permitió avances en industrias que van desde la atención médica hasta la electrónica y la fabricación industrial. Estas innovaciones ayudaron al mercado de dispositivos láser a alcanzar un valor de $ 17 mil millones para 2020.

A pesar de los avances tecnológicos de la industria y los fuertes ingresos, algunos indicadores recientes generan preocupación. Tome el ritmo de la innovación medido por el número de patentes registradas. Desde 2001 hasta 2010, los investigadores presentaron más de 29 000 solicitudes en EE. UU. para patentes relacionadas con el láser, más del doble que en la década anterior (Anexo 1). Sin embargo, para los años de 2011 a 2020, solo se presentaron unas 24.000 solicitudes. Esta caída fue una aberración en una industria donde las solicitudes de patentes tradicionalmente se han duplicado cada década.

Los láseres pueden usar sólidos, líquidos o gases como medio de ganancia (una fuente de amplificación óptica) para crear el haz deseado de luz coherente. Dichos haces están compuestos de fotones, partículas que representan la cantidad discreta más pequeña, o cuanto, de radiación electromagnética, que tienen la misma frecuencia y forma de onda. Esta uniformidad evita que el haz se extienda y se difunda. Los láseres de gas utilizan CO2 u otros gases como medio de ganancia y, por lo general, proporcionan una emisión más uniforme, con menos pérdidas, que los láseres de estado sólido o líquido.

Los ejemplos de categorías de láser incluyen los siguientes:

Junto con la caída en el número de solicitudes de patentes, el enfoque de la tecnología está cambiando para algunas de las tecnologías láser más importantes: fibra, diodo, estado sólido, dióxido de carbono (CO2), excimer y cascada cuántica. (Estas categorías se describen brevemente en la barra lateral "Una descripción general de la tecnología láser").

La fibra, la categoría de láser más grande, ahora representa más del 45 por ciento de todas las patentes presentadas. La fibra ha ganado participación, en parte, porque puede enfocar el tamaño del haz hasta el nivel micro y genera más energía en un paquete más pequeño que el CO2. Proporciona así una velocidad y precisión óptimas para el corte de metal y la soldadura, entre otras aplicaciones. La fibra también ha permitido nuevas aplicaciones médicas, especialmente para procedimientos dermatológicos.

Aunque los láseres de cascada cuántica han enfrentado importantes desafíos de desarrollo en los últimos 20 años, su eficiencia y rango de longitud de onda han abierto nuevas oportunidades en diagnósticos médicos, comunicaciones ópticas y monitoreo de procesos industriales. Recientemente, esta categoría ha crecido más rápidamente que la fibra. Representó el 19 por ciento de las patentes durante la última década, frente al 7 por ciento entre 2001 y 2010.

En general, el número de solicitudes de patentes de láser está disminuyendo porque estos dispositivos tienden a tener poder de permanencia una vez que se afianzan en una industria. Las tecnologías láser innovadoras tradicionalmente requieren décadas de investigación y desarrollo y cientos de millones en financiamiento antes de que estén listas para el mercado, por lo que es poco probable que las empresas busquen alternativas una vez que encuentran una solución viable para una aplicación. Eso, a su vez, significa que no se espera que la participación en la categoría de todas las tecnologías láser básicas cambie sustancialmente en los próximos años (Gráfico 2). Las tecnologías de diodo, fibra, estado sólido y CO2, que ahora representan el 90 por ciento de los ingresos por láser, seguirán dominando el mercado. Se proyecta que la tecnología de fibra experimente el mayor crecimiento, principalmente debido a su diseño simple y su ventaja de costo sobre otros tipos de láser.

Como en el pasado, la mayoría de las industrias dependerán de más de un tipo de láser, ya que sus aplicaciones tienen diversas necesidades. Por ejemplo, las empresas industriales pueden usar láseres de fibra para cortar metal, pero confían en los láseres de CO2 para plásticos, vidrio y madera, dadas las diferentes longitudes de onda de emisión y los requisitos de rendimiento por tipo de material.

Incluso con la reducción del número de solicitudes de patentes, el mercado de dispositivos láser debería experimentar un crecimiento relativamente fuerte del 10 por ciento hasta 2025, alcanzando un valor de alrededor de $28 mil millones (Gráfico 3). El sector aeroespacial y de defensa está bien posicionado para lograr el crecimiento más alto por año (24 por ciento), dado un mayor uso de láseres de alto rendimiento y alto costo para detección, seguimiento y contramedidas. Es probable que algunas aplicaciones, como el almacenamiento de datos y la impresión, disminuyan a medida que las tecnologías de próxima generación se alejen del láser.

Las industrias que experimentan el mayor crecimiento dependen cada vez más de aplicaciones que combinan láseres con avances en otras tecnologías:

La coordinación cuidadosa de las tecnologías ópticas, láser y de sensores, en particular para la potencia, la longitud de onda y el diseño óptico, es fundamental para su éxito.

Además de ampliar el número de aplicaciones potenciales, la óptica y los sensores también pueden llevar el rendimiento del láser a un nuevo nivel. Por ejemplo, los dispositivos integrados ya son fundamentales para la tomografía de coherencia óptica, un procedimiento no invasivo para tomar imágenes en 2D y 3D del tejido de la retina. Para determinar todo el potencial de los sistemas integrados basados ​​en láser, primero examinamos los sectores de la óptica de precisión y los sensores fotónicos, analizando las tecnologías principales, el crecimiento reciente y las adopciones futuras. Descubrimos que ambos mercados ahora están prosperando y que el repunte de los dispositivos láser integrados podría aumentar su valor aún más.

Con un valor total de $33 mil millones, el mercado de la óptica incluye componentes que pueden mejorar la precisión y el rendimiento de los sistemas basados ​​en láser, como:

La óptica de precisión, valorada en $ 20 mil millones, representa aproximadamente dos tercios del valor del mercado total de componentes ópticos, y se espera un fuerte crecimiento del 8 por ciento hasta 2025 (Anexo 4). Es probable que las aplicaciones de consumo, como la biodetección, la seguridad y el dispositivo portátil LiDAR, impulsen la mayor parte de la demanda. Los sectores automotriz, de semiconductores y espacial también representarán una gran proporción de los ingresos de la óptica de precisión.

Para comprender el impacto cada vez mayor de la óptica de precisión en el rendimiento de los dispositivos basados ​​en láser, considere la citometría de flujo. En este proceso, se proyecta un láser a través de una muestra biológica para evaluar las características físicas y químicas de las células o partículas individuales, incluidas las de la sangre. Los sistemas de citometría de flujo utilizan filtros de paso de banda y dicroicos para restringir las longitudes de onda de la luz que pasan a los detectores, lo que permite a los científicos identificar células o partículas específicas dentro de cada muestra (Anexo 5).

En los últimos años, los investigadores han mejorado los filtros de citometría de flujo para aumentar su exactitud y precisión y hacer posible la identificación simultánea de múltiples componentes dentro de una sola muestra. Estas actualizaciones han superado los límites del diseño y la fabricación. La importancia de los filtros de paso de banda y dicroicos de última generación se refleja en el hecho de que pueden representar, en promedio, del 10 al 20 por ciento de los costos generales del sistema de citómetro de flujo.

Otros innovadores han mejorado la citometría de flujo reemplazando la óptica tradicional, incluidos espejos y filtros, con un espectrómetro de óptica dispersiva. Además de mejorar la precisión de estos dispositivos, estas innovaciones han acelerado significativamente el rendimiento de las muestras.

Los sensores fotónicos representan un mercado de $ 29 mil millones, alrededor del 16 por ciento del mercado más amplio de sensores de $ 180 mil millones. Se proyecta que este segmento experimente un fuerte crecimiento del 9 por ciento anual hasta 2025, alcanzando $44 mil millones en ingresos ese año (Anexo 6). Se destacan algunas áreas de aplicación:

Las tecnologías de sensores fotónicos incluyen fotodiodos de silicio, que se utilizan ampliamente en aplicaciones donde se requiere una gran cantidad de detectores. Por ejemplo, los fotomultiplicadores de silicio se emplean en LiDAR (que usa luz en forma de láseres pulsados ​​para medir la distancia) y casos de uso de tiempo de vuelo (que implican determinar la distancia o la profundidad entre la fuente y otro objeto).

A medida que los OEM recurren cada vez más a los sistemas fotónicos para satisfacer las necesidades de los clientes, es probable que las líneas entre los proveedores de componentes, los proveedores de subsistemas y los integradores de dispositivos sigan desdibujándose.

De manera similar, los sensores de dispositivo de acoplamiento de carga (CCD) y los sensores semiconductores de óxido de metal complementarios, los cuales usan fotodiodos de silicio, tienen amplios casos de uso en espectroscopia, visión artificial y aplicaciones de defensa.

Como otro ejemplo, los láseres de corte industrial utilizados en la fabricación están comenzando a obtener nuevas capacidades a través de la integración de sensores y ópticas de precisión. Inicialmente, los operadores de la máquina establecieron los parámetros y el láser completó el corte exactamente como se ordenó, sin ajustes a mitad del proceso. Los dispositivos más recientes incluyen sensores que detectan parámetros, como el acabado superficial, la densidad, la profundidad de corte y la tensión térmica en los materiales. Dichos dispositivos no solo brindan ajustes en tiempo real, sino que también contienen ópticas de precisión, a menudo filtros de división de haz, para permitir tanto el corte por láser como la medición por láser en la misma trayectoria óptica (Anexo 7).

A medida que las partes interesadas de la industria buscan oportunidades dentro de la fotónica y los dispositivos integrados, las fusiones y adquisiciones merecen una mayor atención. A pesar de la reciente ola de acuerdos, la industria de dispositivos láser sigue fragmentada, con muchos jugadores pequeños con menos de $250 millones en ingresos que se enfocan en nichos especializados. Esta fragmentación sugiere que los operadores, los miembros de la junta y los inversionistas pueden encontrar muchas oportunidades para asociaciones o combinaciones sinérgicas.

Algunos fabricantes de láser y clientes finales ya están buscando acuerdos de este tipo para facilitar la creación de dispositivos que integren óptica de precisión, sensores y láser. Por ejemplo, un importante proveedor de sistemas de litografía adquirió recientemente una empresa de óptica de precisión para obtener capacidades adicionales para productos de ultravioleta extremo y ultravioleta profundo. Otra empresa líder en aplicaciones industriales adquirió participaciones minoritarias en algunas empresas de tecnología láser para aumentar sus capacidades en aplicaciones de procesamiento de materiales. También adquirió una empresa que fabrica muchos de los componentes y productos fotónicos utilizados en sensores para conducción autónoma, teléfonos inteligentes y transmisión de datos digitales.

A medida que la integración entre láseres, sensores y óptica se vuelve cada vez más importante para crear valor en los sistemas de próxima generación, los operadores y los miembros de la junta deben repensar sus estrategias de productos y reposicionarse a lo largo de la cadena de valor. Por ejemplo, es probable que la necesidad de integración efectiva y monitoreo en tiempo real aumente la importancia del software en esta industria tradicionalmente impulsada por hardware. Los nuevos requisitos de capacidad de servicio, como diagnósticos remotos, ajustes y calibración, también podrían crear oportunidades adicionales para proporcionar servicios durante la vida útil de cada sistema. Y a medida que los OEM de todos los segmentos del mercado recurran cada vez más a los sistemas fotónicos para abordar las necesidades de los clientes, es probable que las líneas entre los proveedores de componentes, los proveedores de subsistemas y los integradores de dispositivos sigan desdibujándose.

Como cualquier sector de alta tecnología, la fotónica debe innovar para sobrevivir. Aunque la velocidad de la innovación en la tecnología láser ha disminuido, la creación de dispositivos integrados que combinen láseres, sensores y óptica podría marcar el comienzo de una nueva era de oportunidades. Las empresas que desarrollan tales dispositivos ahora podrían tener la ventaja de ser los primeros en actuar, ya que es probable que los clientes finales busquen asociaciones estratégicas para explorar nuevas aplicaciones y crear ofertas de productos. El cambio a dispositivos integrados puede requerir nuevas capacidades, pero abundan las oportunidades para obtenerlas rápidamente dentro del panorama fragmentado de la industria.

Gaurav Batraes socio de la oficina de McKinsey en Washington, DC,Ryan Fletcheres socio asociado en la oficina del Sur de California, dondeAbhijit Mahindraoes socio;Kairat Kasimalieves consultor en la oficina de Nueva York, yNick Santhanames socio principal de la oficina de Silicon Valley.

Los autores desean agradecer a Barbara Castro, Brendon Earle, Paulo Guimaraes, Jo Kakarwada, Adam Matula, Jwalit Patel, Mark Sawaya, Emily Shao, Dan Trunzo y Scott Whitehead por sus contribuciones a este artículo.

Este artículo fue editado por Eileen Hannigan, editora sénior de Waltham Client Capability Hub.