A próxima onda de inovação em fotônica

Einstein lançou as bases pela 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. Numa das aplicações mais inovadoras, o rover Curiosity da NASA utilizou equipamento com laser para explodir rochas em Marte, permitindo aos cientistas analisar 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 das receitas desaceleraram na última década. Muitas empresas de baixo custo entraram no mercado à medida que a tecnologia principal amadureceu. Isso pressionou o preço médio de venda dos lasers utilizados em produtos finais de grande volume, incluindo aqueles relacionados com transmissão de telecomunicações, marcação e gravação, e biosensor. Mas o sector pode estar agora à beira de uma nova era de inovação em que os lasers são cada vez mais combinados com óptica e sensores para permitir aplicações ainda mais sofisticadas. Estes dispositivos integrados, muitos dos quais ainda estão em desenvolvimento em diversas indústrias, poderiam não só recolocar o mercado do laser numa trajetória de elevado crescimento, mas também tornar-se 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 nas capacidades únicas que tais tecnologias podem fornecer quando combinadas com lasers. As partes interessadas da indústria – incluindo proprietários, operadores e membros do conselho de administração – reconheceram estas vantagens e estão a avançar rapidamente para alargar as capacidades tecnológicas das suas empresas através de fusões, aquisições e parcerias estratégicas. Os investidores também estão atentos.

Embora a tecnologia laser tenha amadurecido continuamente desde o seu início, duas eras de inovação se destacam. Durante as décadas de 1970 e 1980, os pesquisadores fizeram descobertas importantes na física do laser central que avançaram a tecnologia, embora muitas aplicações estivessem limitadas a ambientes científicos, laboratoriais e de P&D. E nas últimas três décadas, os dispositivos a laser realmente passaram do laboratório para a esfera comercial à medida que foram 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 indústrias 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 e das fortes receitas da indústria, alguns indicadores recentes suscitam preocupações. Considere o ritmo da inovação medido pelo número de patentes registadas. De 2001 a 2010, os investigadores apresentaram mais de 29.000 pedidos de patentes relacionadas com laser nos EUA – mais do dobro do registado na década anterior (Quadro 1). No entanto, durante os anos de 2011 a 2020, apenas cerca de 24.000 pedidos foram apresentados. Esta queda foi uma aberração numa indústria onde os pedidos de patentes tradicionalmente duplicaram 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 se difunda. Os lasers de gás usam CO2 ou outros gases como meio de ganho e normalmente fornecem uma emissão mais uniforme, com menos perdas, do que os lasers de estado sólido ou líquido.