La prochaine vague d'innovation en photonique

Einstein a jeté les bases pour la technologie laser dans son article révolutionnaire "La théorie quantique du rayonnement", publié en 1917. Après des années de développement, les premiers lasers largement commercialisés sont arrivés sur le marché dans les années 1960, lorsqu'ils ont été utilisés pour des applications allant de la science à la chirurgie. Depuis ces débuts, la capacité unique des lasers à créer un faisceau de lumière étroit et focalisé a permis de nombreux autres cas d'utilisation, notamment la lecture de codes-barres, le séquençage d'ADN et la fabrication de puces semi-conductrices. Dans l'une des applications les plus novatrices, le rover Curiosity de la NASA a utilisé un équipement à laser pour faire exploser des roches sur Mars, permettant aux scientifiques d'analyser les produits chimiques dans les vapeurs résultantes.

Cet article est un effort de collaboration de Gaurav Batra, Ryan Fletcher, Kairat Kasymaliev, Abhijit Mahindroo et Nick Santhanam, représentant les points de vue de la pratique électronique avancée de McKinsey.

Bien que le marché du laser ait augmenté régulièrement depuis les années 1970, l'innovation et la croissance des revenus ont ralenti au cours de la dernière décennie. De nombreuses entreprises à bas prix sont entrées sur le marché à mesure que la technologie de base mûrissait. Cela a exercé une pression sur le prix de vente moyen des lasers utilisés dans les produits finaux à grand volume, y compris ceux liés à la transmission des télécommunications, au marquage et à la gravure et à la biodétection. Mais le secteur est peut-être à l'aube d'une nouvelle ère d'innovation dans laquelle les lasers sont de plus en plus combinés avec des optiques et des capteurs pour permettre des applications encore plus sophistiquées. Ces dispositifs intégrés, dont beaucoup sont encore en développement dans un certain nombre d'industries, pourraient non seulement remettre le marché du laser sur une trajectoire de forte croissance, mais aussi devenir la principale source de valeur.

Pour aider les parties prenantes de l'industrie photonique à évaluer les opportunités à venir, nous avons évalué les développements récents sur les marchés finaux du laser. Nous avons ensuite exploré en détail les secteurs de l'optique et des capteurs, en nous concentrant sur les capacités uniques que ces technologies peuvent offrir lorsqu'elles sont combinées avec des lasers. Les parties prenantes de l'industrie, y compris les propriétaires, les exploitants et les membres du conseil d'administration, ont reconnu ces avantages et s'emploient rapidement à élargir les capacités technologiques de leurs entreprises par le biais de fusions, d'acquisitions et de partenariats stratégiques. Les investisseurs aussi prennent garde.

Bien que la technologie laser n'ait cessé de mûrir depuis sa création, deux époques d'innovation se distinguent. Au cours des années 1970 et 1980, les chercheurs ont fait d'importantes découvertes dans la physique des lasers de base qui ont fait progresser la technologie, bien que de nombreuses applications se soient limitées aux paramètres scientifiques, de laboratoire et de R&D. Et au cours des trois dernières décennies, les appareils laser sont véritablement passés du laboratoire à la sphère commerciale, car ils ont été affinés pour améliorer les performances, la robustesse et la fiabilité. De nombreuses nouvelles applications laser, telles que la chirurgie, la lithographie et le soudage, ont émergé à cette époque, permettant des percées dans des secteurs allant de la santé à l'électronique en passant par la fabrication industrielle. Ces innovations ont aidé le marché des appareils laser à atteindre une valeur de 17 milliards de dollars d'ici 2020.

Malgré les avancées technologiques et les revenus élevés de l'industrie, certains indicateurs récents suscitent des inquiétudes. Prenez le rythme de l'innovation mesuré par le nombre de brevets déposés. De 2001 à 2010, les chercheurs ont déposé plus de 29 000 demandes de brevets américains liés au laser, soit plus du double par rapport à la décennie précédente (Figure 1). Cependant, pour les années 2011 à 2020, seulement environ 24 000 demandes ont été déposées. Cette baisse était une aberration dans une industrie où les dépôts de brevets ont traditionnellement doublé chaque décennie.

Les lasers peuvent utiliser des solides, des liquides ou des gaz comme milieu de gain (une source d'amplification optique) pour créer le faisceau souhaité de lumière cohérente. Ces faisceaux sont composés de photons - des particules représentant la plus petite quantité discrète, ou quantum, de rayonnement électromagnétique - qui ont la même fréquence et la même forme d'onde. Cette uniformité empêche le faisceau de s'étaler et de se diffuser. Les lasers à gaz utilisent du CO2 ou d'autres gaz comme milieu de gain et fournissent généralement une émission plus uniforme, avec moins de perte, que les lasers à l'état solide ou liquide.

Voici des exemples de catégories de laser :

Parallèlement à la baisse du nombre de demandes de brevet, l'orientation technologique se déplace pour certaines des technologies laser les plus importantes : fibre, diode, semi-conducteur, dioxyde de carbone (CO2), excimère et cascade quantique. (Ces catégories sont brièvement décrites dans l'encadré "Un aperçu de la technologie laser".)

La fibre, la plus grande catégorie de lasers, représente désormais plus de 45 % de tous les brevets déposés. La fibre a gagné du terrain, en partie parce qu'elle peut concentrer la taille du faisceau jusqu'au niveau micro et génère plus de puissance dans un boîtier plus petit que le CO2. Il offre ainsi une vitesse et une précision optimales pour la coupe du métal et le soudage, entre autres applications. La fibre a également permis de nouvelles applications médicales, en particulier pour les procédures dermatologiques.

Bien que les lasers à cascade quantique aient rencontré d'importants défis de développement au cours des 20 dernières années, leur efficacité et leur gamme de longueurs d'onde ont ouvert de nouvelles opportunités dans les diagnostics médicaux, les communications optiques et la surveillance des processus industriels. Récemment, cette catégorie a connu une croissance plus rapide que la fibre. Il représentait 19 % des brevets au cours de la dernière décennie, contre 7 % de 2001 à 2010.

Dans l'ensemble, le nombre de demandes de brevets sur les lasers est en baisse, car ces appareils ont tendance à durer une fois qu'ils ont pris pied dans une industrie. Les technologies laser innovantes nécessitent traditionnellement des décennies de R&D et des centaines de millions de dollars de financement avant d'être prêtes pour le marché, de sorte que les entreprises ne sont pas susceptibles de rechercher des alternatives une fois qu'elles ont trouvé une solution viable pour une application. Cela signifie à son tour que la part de la catégorie pour toutes les technologies laser de base ne devrait pas changer considérablement au cours des prochaines années (Figure 2). Les technologies de diodes, de fibres, d'état solide et de CO2, qui représentent désormais 90 % des revenus des lasers, continueront de dominer le marché. La technologie de la fibre devrait connaître la plus forte croissance, principalement en raison de sa conception simple et de son avantage en termes de coût par rapport aux autres types de laser.

Comme par le passé, la plupart des industries s'appuieront sur plus d'un type de laser, car leurs applications ont des besoins variés. Par exemple, les entreprises industrielles peuvent utiliser des lasers à fibre pour couper le métal, mais s'appuyer sur des lasers CO2 pour le plastique, le verre et le bois, étant donné les différentes longueurs d'onde d'émission et les exigences de performance selon le type de matériau.

Même avec une baisse du nombre de demandes de brevet, le marché des appareils laser devrait connaître une croissance relativement forte de 10 % jusqu'en 2025, pour atteindre une valeur d'environ 28 milliards de dollars (Figure 3). Le secteur de l'aérospatiale et de la défense est bien placé pour atteindre la croissance annuelle la plus élevée (24 %), compte tenu de l'utilisation accrue de lasers hautes performances et coûteux pour la détection, le suivi et les contre-mesures. Quelques applications, telles que le stockage de données et l'impression, sont susceptibles de décliner à mesure que les technologies de nouvelle génération s'éloignent du laser.

Les industries connaissant la plus forte croissance dépendent de plus en plus d'applications qui combinent les lasers avec les avancées d'autres technologies :

Une coordination soigneuse des technologies optiques, laser et des capteurs, en particulier pour la puissance, la longueur d'onde et la conception optique, est essentielle à leur succès.

En plus d'élargir le nombre d'applications potentielles, l'optique et les capteurs peuvent également porter les performances laser à un nouveau niveau. Par exemple, les dispositifs intégrés sont déjà essentiels à la tomographie par cohérence optique, une procédure non invasive pour prendre des images 2D et 3D du tissu rétinien. Pour déterminer le plein potentiel des systèmes laser intégrés, nous avons d'abord examiné les secteurs de l'optique de précision et des capteurs photoniques, en examinant les technologies de base, la croissance récente et les adoptions futures. Nous avons constaté que les deux marchés sont désormais florissants et que la hausse des dispositifs laser intégrés pourrait encore augmenter leur valeur.

Avec une valeur globale de 33 milliards de dollars, le marché de l'optique comprend des composants qui peuvent améliorer la précision et les performances des systèmes à base de laser, tels que :

L'optique de précision, évaluée à 20 milliards de dollars, représente environ les deux tiers de la valeur du marché total des composants optiques, et une forte croissance de 8 % est attendue jusqu'en 2025 (figure 4). Les applications grand public, telles que la biodétection, la sécurité et le LiDAR des appareils portables, sont susceptibles de générer la majeure partie de la demande. Les secteurs de l'automobile, des semi-conducteurs et de l'espace représenteront également une grande partie des revenus de l'optique de précision.

Pour comprendre l'impact croissant de l'optique de précision sur les performances des dispositifs à base de laser, envisagez la cytométrie en flux. Dans ce processus, un laser est projeté à travers un échantillon biologique pour évaluer les caractéristiques physiques et chimiques de cellules ou de particules individuelles, y compris celles du sang. Les systèmes de cytométrie en flux utilisent des filtres passe-bande et dichroïques pour limiter les longueurs d'onde de la lumière qui passent aux détecteurs, permettant aux scientifiques d'identifier des cellules ou des particules spécifiques dans chaque échantillon (pièce 5).

Ces dernières années, les chercheurs ont amélioré les filtres de cytométrie en flux pour augmenter leur exactitude et leur précision et pour permettre d'identifier simultanément plusieurs composants dans un même échantillon. Ces améliorations ont repoussé les limites de la conception et de la fabrication. L'importance des filtres passe-bande et dichroïques de pointe se reflète dans le fait qu'ils peuvent représenter, en moyenne, 10 à 20 % des coûts globaux du système de cytomètre en flux.

D'autres innovateurs ont amélioré la cytométrie en flux en remplaçant l'optique traditionnelle, y compris les miroirs et les filtres, par un spectromètre optique dispersif. En plus d'améliorer la précision de ces dispositifs, ces innovations ont considérablement accéléré le débit d'échantillons.

Les capteurs photoniques représentent un marché de 29 milliards de dollars, soit environ 16 % du marché plus large des capteurs de 180 milliards de dollars. Ce segment devrait connaître une forte croissance de 9 % par an jusqu'en 2025, atteignant 44 milliards de dollars de revenus cette année-là (figure 6). Quelques domaines d'application se distinguent :

Les technologies de capteurs photoniques comprennent les photodiodes au silicium, qui sont largement utilisées dans les applications nécessitant une grande quantité de détecteurs. Par exemple, les photomultiplicateurs au silicium sont utilisés dans le LiDAR (qui utilise la lumière sous forme de lasers pulsés pour mesurer la distance) et les cas d'utilisation du temps de vol (qui impliquent de déterminer la distance ou la profondeur entre la source et un autre objet).

Alors que les équipementiers se tournent de plus en plus vers les systèmes photoniques pour répondre aux besoins des clients, les frontières entre les fournisseurs de composants, les fournisseurs de sous-systèmes et les intégrateurs d'appareils continueront probablement de s'estomper.

De même, les capteurs à dispositif à couplage de charge (CCD) et les capteurs semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaires, qui utilisent tous deux des photodiodes au silicium, ont de nombreux cas d'utilisation dans les applications de spectroscopie, de vision industrielle et de défense.

Autre exemple, les lasers de découpe industriels utilisés dans la fabrication commencent à acquérir de nouvelles capacités grâce à l'intégration d'optiques et de capteurs de précision. Au départ, les opérateurs de la machine définissaient les paramètres et le laser effectuait la coupe exactement comme demandé, sans ajustements en cours de processus. Les dispositifs plus récents incluent des capteurs qui détectent des paramètres tels que la finition de surface, la densité, la profondeur de coupe et la contrainte thermique sur les matériaux. De tels dispositifs permettent non seulement des ajustements en temps réel, mais contiennent également des optiques de précision, souvent des filtres séparateurs de faisceau, pour permettre à la fois la découpe au laser et la mesure au laser dans le même chemin optique (pièce 7).

Alors que les parties prenantes de l'industrie recherchent des opportunités dans le domaine de la photonique et des dispositifs intégrés, les fusions et acquisitions méritent une attention accrue. Malgré la récente vague d'accords, l'industrie des appareils laser reste fragmentée, avec de nombreux petits acteurs avec moins de 250 millions de dollars de revenus se concentrant sur des niches spécialisées. Cette fragmentation suggère que les opérateurs, les membres du conseil d'administration et les investisseurs peuvent trouver de nombreuses opportunités de combinaisons ou de partenariats synergiques.

Certains fabricants de lasers et clients finaux poursuivent déjà de tels accords pour faciliter la création d'appareils intégrant des optiques de précision, des capteurs et des lasers. Par exemple, un important fournisseur de systèmes de lithographie a récemment acquis une société d'optique de précision afin d'acquérir des capacités supplémentaires pour les produits ultraviolets extrêmes et ultraviolets profonds. Une autre grande entreprise d'applications industrielles a acquis des participations minoritaires dans certaines entreprises de technologie laser pour renforcer ses capacités dans les applications de traitement des matériaux. Elle a également acquis une entreprise qui fabrique de nombreux composants et produits photoniques utilisés dans les capteurs pour la conduite autonome, les smartphones et la transmission de données numériques.

Alors que l'intégration entre les lasers, les capteurs et l'optique devient de plus en plus importante pour créer de la valeur dans les systèmes de nouvelle génération, les opérateurs et les membres du conseil d'administration doivent repenser leurs stratégies de produits et se repositionner le long de la chaîne de valeur. Par exemple, le besoin d'une intégration efficace et d'une surveillance en temps réel est susceptible d'augmenter l'importance des logiciels dans cette industrie traditionnellement axée sur le matériel. De nouvelles exigences d'entretien, telles que les diagnostics, les réglages et l'étalonnage à distance, pourraient également créer des opportunités supplémentaires pour fournir des services tout au long de la durée de vie de chaque système. Et comme les équipementiers de tous les segments de marché se tournent de plus en plus vers les systèmes photoniques pour répondre aux besoins des clients, les frontières entre les fournisseurs de composants, les fournisseurs de sous-systèmes et les intégrateurs d'appareils continueront probablement de s'estomper.

Comme tout secteur de haute technologie, la photonique doit innover pour survivre. Bien que la vitesse d'innovation dans la technologie laser ait diminué, la création de dispositifs intégrés combinant lasers, capteurs et optiques pourrait inaugurer une nouvelle ère d'opportunités. Les entreprises qui développent de tels appareils aujourd'hui pourraient avoir l'avantage d'être les premiers arrivés, car les clients finaux sont susceptibles de rechercher des partenariats stratégiques pour explorer de nouvelles applications et créer des offres de produits. Le passage aux appareils intégrés peut nécessiter de nouvelles capacités, mais les opportunités abondent pour les trouver rapidement dans le paysage fragmenté de l'industrie.

Gaurav Batraest un associé du bureau de McKinsey à Washington, DC,Ryan Flecherest un partenaire associé du bureau de Californie du Sud, oùAbhijit Mahindraoest un partenaire ;Kairat Kasymalievest consultant au bureau de New York, etNick Santhanamest un associé principal du bureau de la Silicon Valley.

Les auteurs tiennent à remercier Barbara Castro, Brendon Earle, Paulo Guimaraes, Jo Kakarwada, Adam Matula, Jwalit Patel, Mark Sawaya, Emily Shao, Dan Trunzo et Scott Whitehead pour leurs contributions à cet article.

Cet article a été édité par Eileen Hannigan, rédactrice en chef au Waltham Client Capability Hub.