A próxima onda de inovação em fotônica

Einstein lançou as bases para a tecnologia laser em seu artigo inovador "A teoria quântica da radiação", publicado em 1917. Após anos de desenvolvimento, os primeiros lasers amplamente comercializados chegaram ao mercado na década de 1960, quando foram usados ​​para aplicações que vão da ciência à cirurgia. Desde aqueles primeiros dias, a capacidade única dos lasers de criar um feixe de luz estreito e focado permitiu muitos outros casos de uso, incluindo leitura de código de barras, sequenciamento de DNA e fabricação de chips semicondutores. Em uma das aplicações mais inovadoras, o rover Curiosity da NASA usou equipamentos ativados por laser para explodir rochas em Marte, permitindo que os cientistas analisassem os produtos químicos nos vapores resultantes.

Este artigo é um esforço colaborativo de Gaurav Batra, Ryan Fletcher, Kairat Kasymaliev, Abhijit Mahindroo e Nick Santhanam, representando pontos de vista da Prática de Eletrônica Avançada da McKinsey.

Embora o mercado de laser tenha aumentado constantemente desde a década de 1970, a inovação e o crescimento da receita diminuíram na última década. Muitas empresas de baixo custo entraram no mercado à medida que a tecnologia central amadurecia. Isso pressionou o preço médio de venda de lasers usados ​​em produtos finais de alto volume, incluindo aqueles relacionados à transmissão de telecomunicações, marcação e gravação e biossensores. Mas o setor pode agora estar à beira de uma nova era de inovação em que os lasers são cada vez mais combinados com ótica e sensores para permitir aplicações ainda mais sofisticadas. Esses dispositivos integrados, muitos dos quais ainda estão em desenvolvimento em vários setores, podem não apenas colocar o mercado de laser de volta em uma trajetória de alto crescimento, mas também se tornar a principal fonte de valor.

Para ajudar as partes interessadas da indústria fotônica a avaliar as oportunidades futuras, avaliamos os desenvolvimentos recentes nos mercados finais de laser. Em seguida, exploramos detalhadamente os setores de óptica e sensores, concentrando-nos nos recursos exclusivos que essas tecnologias podem fornecer quando combinadas com lasers. As partes interessadas do setor - incluindo proprietários, operadores e membros do conselho - reconheceram essas vantagens e estão se movendo rapidamente para ampliar os recursos tecnológicos de suas empresas por meio de fusões, aquisições e parcerias estratégicas. Os investidores também estão atentos.

Embora a tecnologia laser tenha amadurecido continuamente desde a sua criação, duas eras de inovação se destacam. Durante as décadas de 1970 e 1980, os pesquisadores fizeram importantes descobertas na física do laser de núcleo que avançaram a tecnologia, embora muitas aplicações fossem limitadas a configurações científicas, laboratoriais e de P&D. E nas três décadas mais recentes, os dispositivos a laser realmente passaram do laboratório para a esfera comercial à medida que eram refinados para melhorar o desempenho, a robustez e a confiabilidade. Muitas novas aplicações de laser, como cirurgia, litografia e soldagem, surgiram nessa época, permitindo avanços em setores que vão desde a saúde até a eletrônica e a fabricação industrial. Essas inovações ajudaram o mercado de dispositivos a laser a atingir um valor de US$ 17 bilhões até 2020.

Apesar dos avanços tecnológicos do setor e das fortes receitas, alguns indicadores recentes preocupam. Considere o ritmo da inovação medido pelo número de patentes registradas. De 2001 a 2010, os pesquisadores registraram mais de 29.000 solicitações de patentes relacionadas a laser nos Estados Unidos, mais do que o dobro da década anterior (Quadro 1). Nos anos de 2011 a 2020, no entanto, apenas cerca de 24.000 solicitações foram registradas. Essa queda foi uma aberração em um setor em que os registros de patentes tradicionalmente dobram a cada década.

Os lasers podem usar sólidos, líquidos ou gases como meio de ganho (uma fonte de amplificação óptica) para criar o feixe de luz coerente desejado. Esses feixes são compostos de fótons – partículas que representam a menor quantidade discreta, ou quantum, de radiação eletromagnética – que têm a mesma frequência e forma de onda. Essa uniformidade evita que o feixe se espalhe e difunda. Os lasers a gás usam CO2 ou outros gases como meio de ganho e normalmente fornecem uma emissão mais uniforme, com menos perda, do que os lasers de estado sólido ou líquido.