Следующая волна инноваций в фотонике

Эйнштейн заложил основы в области лазерных технологий в своей новаторской статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917 году. После многих лет разработок первые широко коммерциализированные лазеры появились на рынке в 1960-х годах, когда они использовались в различных приложениях, от науки до хирургии. С тех пор уникальная способность лазеров создавать узкий, сфокусированный луч света позволила использовать его во многих других случаях, включая сканирование штрих-кодов, секвенирование ДНК и производство полупроводниковых чипов. В одном из самых новых применений марсоход НАСА «Кьюриосити» использовал лазерное оборудование для взрыва камней на Марсе, что позволило ученым анализировать химические вещества в образующихся парах.

Эта статья является результатом совместной работы Гаурава Батры, Райана Флетчера, Кайрата Касымалиева, Абхиджита Махиндру и Ника Сантанама и представляет взгляды из практики передовой электроники McKinsey.

Хотя рынок лазеров неуклонно рос с 1970-х годов, рост инноваций и доходов за последнее десятилетие замедлился. Многие бюджетные компании вышли на рынок по мере развития базовой технологии. Это оказало давление на среднюю цену продажи лазеров, используемых в конечных продуктах больших объемов, в том числе связанных с телекоммуникационной передачей, маркировкой и гравировкой, а также биосенсорством. Но сейчас этот сектор, возможно, находится на пороге новой эры инноваций, в которой лазеры все чаще сочетаются с оптикой и датчиками, что позволяет создавать еще более сложные приложения. Эти интегрированные устройства, многие из которых все еще находятся в разработке в ряде отраслей, могут не только вернуть рынок лазеров на траекторию быстрого роста, но и стать основным источником стоимости.

Чтобы помочь заинтересованным сторонам фотоники оценить предстоящие возможности, мы оценили последние события на рынках конечного лазерного оборудования. Затем мы подробно изучили сектора оптики и датчиков, сосредоточив внимание на уникальных возможностях, которые такие технологии могут обеспечить в сочетании с лазерами. Заинтересованные стороны отрасли, включая владельцев, операторов и членов совета директоров, осознали эти преимущества и быстро переходят к расширению технологических возможностей своих компаний посредством слияний, поглощений и стратегического партнерства. Инвесторы тоже обращают на это внимание.

Хотя лазерные технологии постоянно совершенствовались с момента своего появления, можно выделить две эпохи инноваций. В течение 1970-х и 1980-х годов исследователи сделали важные открытия в области лазерной физики, которые продвинули эту технологию, хотя многие приложения были ограничены научными, лабораторными и научно-исследовательскими установками. И за последние три десятилетия лазерные устройства действительно перешли из лабораторной сферы в коммерческую сферу, поскольку они были усовершенствованы для повышения производительности, прочности и надежности. В это время появилось множество новых применений лазеров, таких как хирургия, литография и сварка, что позволило совершить прорыв в самых разных отраслях: от здравоохранения до электроники и промышленного производства. Эти инновации помогли рынку лазерных устройств достичь стоимости в 17 миллиардов долларов к 2020 году.

Несмотря на технологические достижения отрасли и высокие доходы, некоторые последние показатели вызывают обеспокоенность. Возьмите темп инноваций, измеряемый количеством зарегистрированных патентов. С 2001 по 2010 год исследователи в США подали более 29 000 заявок на патенты, связанные с лазерами, что более чем в два раза больше, чем за предыдущее десятилетие (Иллюстрация 1). Однако за годы с 2011 по 2020 год было подано всего около 24 000 заявок. Это падение стало отклонением от нормы в отрасли, где количество патентных заявок традиционно удваивалось каждое десятилетие.

Лазеры могут использовать твердые тела, жидкости или газы в качестве усиливающей среды (источник оптического усиления) для создания желаемого луча когерентного света. Такие лучи состоят из фотонов — частиц, представляющих наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения, — которые имеют одинаковую частоту и форму волны. Эта однородность предотвращает распространение и рассеивание луча. Газовые лазеры используют CO2 или другие газы в качестве усиливающей среды и обычно обеспечивают более равномерное излучение с меньшими потерями, чем твердотельные или жидкостные лазеры.