Más productos finales están integrando láseres con sensores y ópticas, lo que abre nuevas oportunidades para los fabricantes de fotónica.

Einstein sentó las bases de la tecnología láser en su innovador artículo "La teoría cuántica de la radiación", publicado en 1917. Después de años de desarrollo, los primeros láseres comerciales llegaron al mercado en la década de 1960, cuando se utilizaron para aplicaciones que iban desde la ciencia. a la cirugía. Desde esos 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 nuevas, el rover Curiosity de la NASA utilizó equipo láser para hacer estallar rocas en Marte, lo que permitió a los científicos analizar los productos químicos en los vapores resultantes.

Aunque el mercado del láser ha crecido de manera constante desde 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 medio de los láseres utilizados en productos finales de gran volumen, incluidos los relacionados con la transmisión, el marcado y grabado de telecomunicaciones y la biosección. Pero la industria puede estar ahora en la cúspide de una nueva era de innovación en la que los láseres se combinan cada vez más con ópticas y sensores para permitir aplicaciones aún más sofisticadas. Estos dispositivos integrados, muchos de los cuales aún están en desarrollo en una serie de industrias, no solo podrían devolver al mercado del láser 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 de la fotónica a evaluar las oportunidades que se avecinan, evaluamos los desarrollos recientes en los mercados finales de láser. Luego exploramos las industrias de óptica y sensores en detalle, enfocándonos 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 expandir 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 ido madurando continuamente desde sus inicios, destacan dos eras de innovación. Durante 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 I + D. Y durante las últimas tres décadas, los dispositivos láser se trasladaron del laboratorio al ámbito comercial a medida que se perfeccionaban para mejorar el rendimiento, la solidez y la fiabilidad. En este momento, surgieron muchas aplicaciones nuevas para el láser, como la cirugía, la litografía y la soldadura, lo que permitió avances en industrias que van desde la atención médica a 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 están causando preocupación. Tome el ritmo de la innovación medido por el número de patentes registradas. De 2001 a 2010, los investigadores presentaron más de 29.000 solicitudes de patentes relacionadas con el láser en los EE. UU., Más del doble que en la década anterior (Anexo 1). Sin embargo, para los años 2011 a 2020, solo se presentaron alrededor de 24,000 solicitudes. Esta caída fue una aberración en una industria donde las solicitudes de patentes se han duplicado tradicionalmente cada década.

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 (CO 2), excímero y cascada cuántica. (Estas categorías se describen brevemente en la barra lateral "Descripción general de la tecnología láser").

La fibra, la categoría de láser más grande, representa ahora más del 45% de todas las patentes registradas. La fibra ha ganado tracción, en parte, porque puede enfocar el tamaño del haz hasta el nivel micro y genera más energía en un paquete más pequeño que el CO 2. Por lo tanto, proporciona una velocidad y precisión óptimas para el corte y soldadura de metales, entre otras aplicaciones. La fibra también ha permitido nuevas aplicaciones médicas, especialmente para procedimientos dermatológicos.

Aunque los láseres de cascada cuántica se han enfrentado a importantes desafíos de desarrollo durante los últimos 20 años, su eficiencia y rango de longitud de onda han abierto nuevas oportunidades en el diagnóstico médico, las comunicaciones ópticas y la monitorización de procesos industriales. Recientemente, esta categoría ha crecido más rápido que la fibra. Representó el 19% de las patentes durante la última década, frente al 7% de 2001 a 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 establecen en una industria. Las tecnologías láser innovadoras tradicionalmente requieren décadas de I + D y cientos de millones en financiación antes de que estén listas para el mercado, por lo que es poco probable que las empresas busquen alternativas una vez que encuentren una solución viable para una aplicación. Eso, a su vez, significa que no se espera que la participación de la categoría para todas las tecnologías láser centrales cambie sustancialmente en los próximos años. Las tecnologías de diodo, fibra, estado sólido y CO 2, que ahora representan el 90 por ciento de los ingresos por láser, seguirán dominando el mercado. Se espera que la tecnología de fibra experimente el mayor crecimiento, principalmente debido a su diseño simple y la ventaja de costo sobre otros tipos de láseres.

Como en el pasado, la mayoría de las industrias dependerán de más de un tipo de láser, ya que sus aplicaciones tienen necesidades diversas. Por ejemplo, las empresas industriales pueden usar láseres de fibra para cortar metal, pero confían en láseres de CO 2 para plásticos, vidrio y madera, dadas las diferentes longitudes de onda de emisión y requisitos de rendimiento por tipo de material.

Incluso con una pequeña cantidad de solicitudes de patentes, el mercado de dispositivos láser debería experimentar un crecimiento relativamente fuerte del 10% hasta 2025, alcanzando un valor de alrededor de $ 28 mil millones. El sector aeroespacial y de defensa está bien posicionado para lograr el mayor crecimiento anual (24%), dado el 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 de los láseres.

Las industrias de más rápido crecimiento confían cada vez más en 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 esenciales para la tomografía de coherencia óptica, un procedimiento no invasivo para tomar imágenes 2-D y 3-D del tejido de la retina. Para determinar el potencial total de los sistemas embebidos basados ​​en láser, primero examinamos las industrias de sensores fotónicos y óptica de precisión, analizando las tecnologías centrales, el crecimiento reciente y las adopciones futuras. Descubrimos que ambos mercados están prosperando y que la recuperación de los dispositivos láser integrados podría aumentar aún más su valor.

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, tales como:

La óptica de precisión, valorada en 20.000 millones de dólares, representa aproximadamente dos tercios del valor total de mercado de los componentes ópticos, y se espera un fuerte crecimiento del 8% hasta 2025. Las aplicaciones de consumo, como los biosensores, la seguridad y los dispositivos portátiles, probablemente utilicen las unidades LiDAR. de la demanda. Los sectores de la automoción, los semiconductores y el espacio también representarán una gran proporción de los ingresos de la óptica de precisión.

Para comprender el creciente impacto 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 células o partículas individuales, incluidas las de la sangre. Los sistemas de citometría de flujo utilizan filtros dicroicos y de paso de banda para restringir las longitudes de onda de la luz que pasa a los detectores, lo que permite a los científicos identificar células o partículas específicas dentro de cada muestra.

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

Otros innovadores han mejorado la citometría de flujo al reemplazar la óptica tradicional, incluidos espejos y filtros, con un espectrómetro óptico dispersivo. 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, aproximadamente el 16% del mercado de sensores más amplio de 180 mil millones. Se proyecta que este segmento experimente un fuerte crecimiento anual del 9% hasta 2025, alcanzando $ 44 mil millones en ingresos ese año. 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 utilizan en LiDAR (que utiliza luz en forma de láseres pulsados ​​para medir la distancia) y en casos de uso de tiempo de vuelo (que implican determinar la distancia o profundidad entre la fuente y otro objeto).

De manera similar, los sensores de dispositivos de carga acoplada (CCD) y los sensores semiconductores de óxido metálico complementarios, que utilizan fotodiodos de silicio, tienen amplios casos de uso en aplicaciones de espectroscopia, visión artificial y defensa.

Como otro ejemplo, los láseres de corte industrial utilizados en la fabricación están comenzando a adquirir nuevas capacidades mediante la integración de ópticas y sensores de precisión. Inicialmente, los operadores de la máquina establecían los parámetros y el láser completaba el corte exactamente como se ordenó, sin ajustes a la mitad del proceso. Los últimos dispositivos incluyen sensores que detectan parámetros como el acabado de la superficie, la densidad, la profundidad de corte y el estrés térmico en los materiales. Dichos dispositivos no solo proporcionan ajustes en tiempo real, sino que también contienen ópticas de precisión, a menudo filtros de división del haz, para permitir tanto el corte por láser como la medición por láser en la misma trayectoria óptica.

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 los dispositivos láser permanece fragmentada, con muchos jugadores pequeños con menos de $ 250 millones en ingresos concentrados en nichos específicos. Esta fragmentación sugiere que los comerciantes, los miembros de la junta y los inversores pueden encontrar muchas oportunidades para combinaciones o asociaciones sinérgicas.

Algunos fabricantes de láser y clientes finales ya están buscando acuerdos de este tipo para facilitar la creación de dispositivos que integren ópticas de precisión, sensores y láseres. Por ejemplo, un importante proveedor de sistemas de litografía adquirió recientemente una empresa de óptica de precisión para obtener capacidades adicionales para productos ultravioleta extrema y ultravioleta profunda. 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 ópticas 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 suministro. valor. Por ejemplo, es probable que la necesidad de una integración eficaz y una supervisión en tiempo real aumente la importancia del software en esta industria tradicionalmente impulsada por el hardware. Los nuevos requisitos de capacidad de servicio, como el diagnóstico remoto, el ajuste y la calibración, también podrían crear oportunidades adicionales para brindar servicio durante la vida útil de cada sistema. Y a medida que los OEM en todos los segmentos del mercado recurren 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 continúen difuminando. .

Como cualquier sector de alta tecnología, la fotónica debe innovar para sobrevivir. Aunque la velocidad de la innovación en la tecnología láser se ha ralentizado, la creación de dispositivos integrados que combinan láseres, sensores y ópticas podría marcar el comienzo de una nueva era de oportunidades. Las empresas que desarrollan estos dispositivos ahora podrían tener la ventaja de ser las primeras 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 las oportunidades para obtenerlas abundan dentro del fragmentado panorama industrial.

Artículo preparado y traducido de "La próxima ola de innovación en fotónica" por McKinsey & Company

Imágenes del interior: McKinsey & Company

Editor y CEO de smartLIGHTING

© 2020 smartlighting / Una revista sobre tecnologías de iluminación

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