La próxima ola de innovación en fotónica

Jul 05, 2023

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 utilizaban 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 utilizó equipos con láser para hacer estallar rocas en Marte, lo que permitió a los científicos analizar las sustancias químicas en los vapores resultantes.

Este artículo es un esfuerzo de colaboración de Gaurav Batra, Ryan Fletcher, Kairat Kasymaliev, Abhijit Mahindroo y Nick Santhanam, que representan puntos de vista de la Práctica 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 desacelerado durante la última década. Muchas empresas de bajo costo han ingresado al mercado a medida que maduró 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 de telecomunicaciones, el marcado y grabado y la biodetección. Pero el sector 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 todavía están en desarrollo en varias industrias, no sólo podrían devolver al mercado del láser a una trayectoria de alto crecimiento, sino también convertirse en la principal fuente de valor.

Para ayudar a las partes interesadas de la industria de la fotónica a evaluar las oportunidades futuras, evaluamos los desarrollos recientes en los mercados finales del láser. Luego exploramos en detalle los sectores de la óptica y los sensores, centrándonos en las capacidades únicas que dichas tecnologías pueden proporcionar cuando se combinan con láseres. Las partes interesadas de la industria, incluidos propietarios, operadores y miembros de la junta directiva, han reconocido estas ventajas y están avanzando 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. 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 investigación y desarrollo. Y durante las últimas tres décadas, los dispositivos láser realmente pasaron del laboratorio a la esfera comercial a medida que fueron perfeccionados para mejorar el rendimiento, la robustez y la confiabilidad. En este momento surgieron muchas aplicaciones nuevas del láser, como la cirugía, la litografía y la soldadura, 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 de dólares para 2020.

A pesar de los avances tecnológicos y los fuertes ingresos de la industria, 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 de patentes relacionadas con el láser en Estados Unidos, más del doble que en la década anterior (Anexo 1). Sin embargo, para los años comprendidos entre 2011 y 2020, solo se presentaron unas 24.000 solicitudes. Esta caída fue una aberración en una industria donde tradicionalmente las solicitudes de patentes se han duplicado cada década.

Los láseres pueden utilizar sólidos, líquidos o gases como medio de ganancia (una fuente de amplificación óptica) para crear el haz de luz coherente deseado. Estos 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 difunda. Los láseres de gas utilizan CO2 u otros gases como medio de ganancia y normalmente proporcionan una emisión más uniforme, con menos pérdidas, que los láseres de estado sólido o líquidos.

Ejemplos de categorías de láser incluyen los siguientes:

Junto con la caída en el número de solicitudes de patentes, el enfoque tecnológico está cambiando para algunas de las tecnologías láser más importantes: fibra, diodo, estado sólido, dióxido de carbono (CO2), excímero 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, representa ahora 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 cortar metal y soldar, 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 diagnóstico médico, comunicaciones ópticas y monitoreo de procesos industriales. Recientemente, esta categoría ha crecido más rápidamente que la fibra. Representaron 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 resistir una vez que se afianzan en una industria. Las tecnologías láser innovadoras tradicionalmente requieren décadas de I+D y cientos de millones en financiación antes de estar listas para el mercado, por lo que no es probable que las empresas busquen alternativas una vez que encuentran una solución viable para una aplicación. Esto, a su vez, significa que no se espera que la participación de categoría para todas las tecnologías láser centrales cambie sustancialmente en los próximos años (Anexo 2). Las tecnologías de diodos, fibras, estado sólido y CO2, que ahora representan el 90 por ciento de los ingresos por láser, seguirán dominando el mercado. Se prevé que la tecnología de fibra sea la que experimente el mayor crecimiento, principalmente debido a su diseño simple y su ventaja de costos 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 utilizar láseres de fibra para cortar metal, pero dependen de láseres de CO2 para plásticos, vidrio y madera, dadas las diferentes longitudes de onda de emisión y los requisitos de rendimiento según el tipo de material.

Incluso con el número de solicitudes de patentes reducido, 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 de dólares (Anexo 3). El sector aeroespacial y de defensa está bien posicionado para lograr el mayor crecimiento anual (24 por ciento), 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 del láser.

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

Para lograr el éxito es fundamental coordinar cuidadosamente las tecnologías óptica, láser y de sensores, en particular en lo que respecta a la potencia, la longitud de onda y el diseño óptico.

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 óptica de precisión y sensores fotónicos, analizando las tecnologías centrales, el crecimiento reciente y las adopciones futuras. Descubrimos que ambos mercados ahora están prosperando y que el aumento de los dispositivos láser integrados podría aumentar aún más su valor.

Con un valor total de 33 mil millones de dólares, 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 mil millones de dólares, representa alrededor de 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 los dispositivos portátiles 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 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 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 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, del 10 al 20 por ciento de los costos totales del sistema de citómetro de flujo.

Otros innovadores han mejorado la citometría de flujo reemplazando la óptica tradicional, incluidos espejos y filtros, por 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 de dólares, alrededor del 16 por ciento del mercado más amplio de sensores de 180 mil millones de dólares. 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 casos de uso LiDAR (que utiliza luz en forma de láseres pulsados ​​para medir la distancia) y tiempo de vuelo (que implican determinar la distancia o profundidad entre la fuente y otro objeto).

A medida que los fabricantes de equipos originales recurren cada vez más a los sistemas fotónicos para satisfacer las necesidades de los clientes, las líneas entre los proveedores de componentes, los proveedores de subsistemas y los integradores de dispositivos probablemente seguirán desdibujándose.

De manera similar, los sensores de dispositivos de carga acoplada (CCD) y los sensores semiconductores complementarios de óxido metálico, que utilizan 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 adquirir nuevas capacidades mediante 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 de la superficie, la densidad, la profundidad de corte y la tensión térmica de los materiales. Dichos dispositivos no solo permiten ajustes en tiempo real, sino que también contienen ópticas de precisión, a menudo filtros de división del haz, para permitir tanto el corte como la medición con 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, y muchos pequeños actores con menos de 250 millones de dólares en ingresos se centran en nichos especializados. Esta fragmentación sugiere que los operadores, los miembros de la junta directiva 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 óptica 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 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 ópticas se vuelve cada vez más importante para crear valor en los sistemas de próxima generación, los operadores y miembros de la junta directiva deben repensar sus estrategias de productos y reposicionarse a lo largo de la cadena de valor. Por ejemplo, es probable que la necesidad de una integración efectiva y un monitoreo en tiempo real aumente la importancia del software en esta industria tradicionalmente impulsada por el hardware. Los nuevos requisitos de capacidad de servicio, como diagnósticos, ajustes y calibración remotos, también podrían crear oportunidades adicionales para brindar 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 satisfacer las necesidades de los clientes, las líneas entre los proveedores de componentes, los proveedores de subsistemas y los integradores de dispositivos probablemente seguirán desdibujándose.

Como cualquier sector de alta tecnología, la fotónica debe innovar para sobrevivir. Aunque la velocidad de la innovación en tecnología láser ha ido disminuyendo, la creación de dispositivos integrados que combinen láseres, sensores y ópticas podría marcar el comienzo de una nueva era de oportunidades. Las empresas que desarrollen este tipo de 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 paso a dispositivos integrados puede requerir nuevas capacidades, pero abundan las oportunidades para obtenerlas rápidamente dentro del panorama industrial fragmentado.

Gaurav Batraes socio de la oficina de McKinsey en Washington, DC,Daniel Fletcheres socio asociado en la oficina del sur de California, dondeAbhijit Mahindrooes socio;Kairat Kasymalieves 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 senior de Waltham Client Capability Hub.