Die nächste Innovationswelle in der Photonik

Jul 05, 2023

Einstein legte den Grundstein für die Lasertechnologie in seinem bahnbrechenden Artikel „Die Quantentheorie der Strahlung“, der 1917 veröffentlicht wurde. Nach Jahren der Entwicklung kamen in den 1960er Jahren die ersten weithin kommerzialisierten Laser auf den Markt, als sie für Anwendungen von der Wissenschaft bis zur Chirurgie eingesetzt wurden. Seit diesen Anfängen hat die einzigartige Fähigkeit von Lasern, einen schmalen, fokussierten Lichtstrahl zu erzeugen, viele andere Anwendungsfälle ermöglicht, darunter das Scannen von Barcodes, die DNA-Sequenzierung und die Herstellung von Halbleiterchips. In einer der neuartigsten Anwendungen nutzte der NASA-Rover Curiosity lasergestützte Geräte, um Steine ​​auf dem Mars zu sprengen, wodurch Wissenschaftler die Chemikalien in den entstehenden Dämpfen analysieren konnten.

Dieser Artikel ist eine Gemeinschaftsarbeit von Gaurav Batra, Ryan Fletcher, Kairat Kasymaliev, Abhijit Mahindroo und Nick Santhanam und vertritt Ansichten aus McKinseys Advanced Electronics Practice.

Obwohl der Lasermarkt seit den 1970er Jahren stetig gewachsen ist, haben sich Innovation und Umsatzwachstum im letzten Jahrzehnt verlangsamt. Mit zunehmender Reife der Kerntechnologie sind viele kostengünstige Unternehmen in den Markt eingetreten. Dies übte Druck auf den durchschnittlichen Verkaufspreis für Laser aus, die in Massenendprodukten verwendet werden, darunter solche im Zusammenhang mit Telekommunikationsübertragung, Markierung und Gravur sowie Biosensorik. Doch möglicherweise steht die Branche nun an der Schwelle zu einem neuen Zeitalter der Innovation, in dem Laser zunehmend mit Optiken und Sensoren kombiniert werden, um noch anspruchsvollere Anwendungen zu ermöglichen. Diese integrierten Geräte, von denen sich viele in zahlreichen Branchen noch in der Entwicklung befinden, könnten nicht nur den Lasermarkt wieder auf einen starken Wachstumskurs bringen, sondern auch zur Hauptwertquelle werden.

Um den Stakeholdern der Photonikindustrie dabei zu helfen, die bevorstehenden Chancen einzuschätzen, haben wir die jüngsten Entwicklungen in den Laser-Endmärkten bewertet. Anschließend untersuchten wir die Bereiche Optik und Sensorik im Detail und konzentrierten uns dabei auf die einzigartigen Fähigkeiten, die solche Technologien in Kombination mit Lasern bieten können. Interessengruppen der Branche – darunter Eigentümer, Betreiber und Vorstandsmitglieder – haben diese Vorteile erkannt und gehen schnell dazu über, die technologischen Fähigkeiten ihrer Unternehmen durch Fusionen, Übernahmen und strategische Partnerschaften zu erweitern. Auch die Anleger nehmen dies zur Kenntnis.

Obwohl sich die Lasertechnologie seit ihrer Einführung kontinuierlich weiterentwickelt hat, stechen zwei Epochen der Innovation hervor. In den 1970er und 1980er Jahren machten Forscher wichtige Entdeckungen in der Kernlaserphysik, die die Technologie voranbrachten, obwohl viele Anwendungen auf wissenschaftliche, Labor- und Forschungs- und Entwicklungsumgebungen beschränkt waren. Und in den letzten drei Jahrzehnten haben sich Lasergeräte tatsächlich vom Labor in den kommerziellen Bereich verlagert, da sie weiterentwickelt wurden, um Leistung, Robustheit und Zuverlässigkeit zu verbessern. Zu dieser Zeit entstanden viele neue Laseranwendungen wie Chirurgie, Lithographie und Schweißen, die Durchbrüche in Branchen ermöglichten, die vom Gesundheitswesen über die Elektronik bis hin zur industriellen Fertigung reichten. Diese Innovationen trugen dazu bei, dass der Markt für Lasergeräte bis 2020 einen Wert von 17 Milliarden US-Dollar erreichen konnte.

Trotz der technologischen Fortschritte und starken Umsätze der Branche geben einige aktuelle Indikatoren Anlass zur Sorge. Nehmen Sie das Innovationstempo, gemessen an der Anzahl der angemeldeten Patente. Von 2001 bis 2010 reichten Forscher in den USA mehr als 29.000 Patentanträge für Laser ein – mehr als das Doppelte im Vergleich zum vorangegangenen Jahrzehnt (Abbildung 1). Für die Jahre 2011 bis 2020 wurden jedoch nur etwa 24.000 Anträge gestellt. Dieser Rückgang war eine Abweichung in einer Branche, in der sich die Patentanmeldungen traditionell jedes Jahrzehnt verdoppelt haben.

Laser können Feststoffe nutzen, Flüssigkeiten oder Gase als Verstärkungsmedium (eine Quelle optischer Verstärkung), um den gewünschten kohärenten Lichtstrahl zu erzeugen. Solche Strahlen bestehen aus Photonen – Teilchen, die die kleinste diskrete Menge oder das kleinste Quantum elektromagnetischer Strahlung darstellen –, die dieselbe Frequenz und Wellenform haben. Diese Gleichmäßigkeit verhindert, dass sich der Strahl ausbreitet und diffundiert. Gaslaser nutzen CO2 oder andere Gase als Verstärkungsmedium und liefern typischerweise eine gleichmäßigere Emission mit weniger Verlusten als Festkörper- oder Flüssigkeitslaser.

Beispiele für Laserkategorien sind die folgenden:

Parallel zum Rückgang der Zahl der Patentanmeldungen verschiebt sich der Schwerpunkt der Technologie bei einigen der wichtigsten Lasertechnologien – Faser-, Dioden-, Festkörper-, Kohlendioxid (CO2), Excimer- und Quantenkaskadenlasertechnologien. (Diese Kategorien werden in der Seitenleiste „Ein Überblick über die Lasertechnologie“ kurz beschrieben.)

Auf Fasern, die größte Laserkategorie, entfallen inzwischen mehr als 45 Prozent aller angemeldeten Patente. Glasfaser hat teilweise an Marktanteilen gewonnen, weil sie die Strahlgröße bis auf die Mikroebene fokussieren kann und in einem kleineren Paket mehr Leistung erzeugt als CO2. Dadurch bietet es optimale Geschwindigkeit und Präzision unter anderem beim Schneiden von Metall und Schweißen. Ballaststoffe haben auch neue medizinische Anwendungen ermöglicht, insbesondere für dermatologische Verfahren.

Obwohl Quantenkaskadenlaser in den letzten 20 Jahren mit erheblichen Entwicklungsherausforderungen konfrontiert waren, haben ihre Effizienz und ihr Wellenlängenbereich neue Möglichkeiten in der medizinischen Diagnostik, der optischen Kommunikation und der Überwachung industrieller Prozesse eröffnet. In letzter Zeit ist diese Kategorie schneller gewachsen als Ballaststoffe. Auf sie entfielen im letzten Jahrzehnt 19 Prozent der Patente, ein Anstieg gegenüber 7 Prozent zwischen 2001 und 2010.

Insgesamt ist die Zahl der Laser-Patentanmeldungen rückläufig, da diese Geräte in der Regel einen langen Atem haben, sobald sie in einer Branche Fuß gefasst haben. Innovative Lasertechnologien erfordern traditionell jahrzehntelange Forschung und Entwicklung sowie Hunderte Millionen an Finanzmitteln, bevor sie marktreif sind. Daher ist es unwahrscheinlich, dass Unternehmen nach Alternativen suchen, sobald sie eine praktikable Lösung für eine Anwendung gefunden haben. Das bedeutet wiederum, dass sich der Kategorieanteil aller Kernlasertechnologien in den nächsten Jahren voraussichtlich nicht wesentlich verschieben wird (Abbildung 2). Dioden-, Faser-, Festkörper- und CO2-Technologien, die mittlerweile 90 Prozent des Laserumsatzes ausmachen, werden weiterhin den Markt dominieren. Das stärkste Wachstum wird der Fasertechnologie prognostiziert, vor allem aufgrund ihres einfachen Designs und der Kostenvorteile gegenüber anderen Lasertypen.

Wie in der Vergangenheit werden sich die meisten Branchen auf mehr als einen Lasertyp verlassen, da ihre Anwendungen unterschiedliche Anforderungen haben. Beispielsweise verwenden Industrieunternehmen möglicherweise Faserlaser zum Schneiden von Metall, verlassen sich jedoch für Kunststoffe, Glas und Holz auf CO2-Laser, da die Emissionswellenlängen und Leistungsanforderungen je nach Materialtyp unterschiedlich sind.

Auch wenn die Zahl der Patentanmeldungen zurückgeht, dürfte der Markt für Lasergeräte bis 2025 ein relativ starkes Wachstum von 10 Prozent verzeichnen und einen Wert von etwa 28 Milliarden US-Dollar erreichen (Abbildung 3). Der Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungssektor ist gut aufgestellt, um das höchste Wachstum pro Jahr (24 Prozent) zu erzielen, da zunehmend leistungsstarke und kostenintensive Laser zur Erkennung, Verfolgung und Gegenmaßnahmen eingesetzt werden. Einige Anwendungen wie Datenspeicherung und Drucken werden wahrscheinlich zurückgehen, da sich die Technologien der nächsten Generation vom Laser abwenden.

Die Branchen mit dem stärksten Wachstum sind zunehmend auf Anwendungen angewiesen, die Laser mit Fortschritten in anderen Technologien kombinieren:

Die sorgfältige Abstimmung von Optik-, Laser- und Sensortechnologien – insbesondere in Bezug auf Leistung, Wellenlänge und optisches Design – ist entscheidend für ihren Erfolg.

Optiken und Sensoren erweitern nicht nur die Zahl möglicher Anwendungen, sondern können auch die Laserleistung auf ein neues Niveau heben. Beispielsweise sind integrierte Geräte bereits von entscheidender Bedeutung für die optische Kohärenztomographie, ein nichtinvasives Verfahren zur Aufnahme von 2D- und 3D-Bildern von Netzhautgewebe. Um das volle Potenzial integrierter laserbasierter Systeme zu ermitteln, haben wir zunächst die Bereiche Präzisionsoptik und photonische Sensoren untersucht und dabei die Kerntechnologien, das jüngste Wachstum und zukünftige Einführungen untersucht. Wir haben festgestellt, dass beide Märkte mittlerweile florieren und dass der Aufschwung bei integrierten Lasergeräten ihren Wert noch weiter steigern könnte.

Mit einem Gesamtwert von 33 Milliarden US-Dollar umfasst der Optikmarkt Komponenten, die die Präzision und Leistung laserbasierter Systeme verbessern können, wie zum Beispiel:

Präzisionsoptiken im Wert von 20 Milliarden US-Dollar machen etwa zwei Drittel des gesamten Marktes für optische Komponenten aus, und bis 2025 wird ein starkes Wachstum von 8 Prozent erwartet (Abbildung 4). Verbraucheranwendungen wie Biosensorik, Sicherheit und LiDAR für tragbare Geräte dürften den größten Teil der Nachfrage ausmachen. Auch die Automobil-, Halbleiter- und Raumfahrtbranche wird einen großen Teil des Umsatzes mit Präzisionsoptik ausmachen.

Um den zunehmenden Einfluss der Präzisionsoptik auf die Leistung laserbasierter Geräte zu verstehen, ziehen Sie die Durchflusszytometrie in Betracht. Bei diesem Verfahren wird ein Laser durch eine biologische Probe gestrahlt, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften einzelner Zellen oder Partikel, einschließlich derjenigen im Blut, zu bewerten. Durchflusszytometriesysteme verwenden Bandpass- und dichroitische Filter, um die Wellenlängen des Lichts, das zu den Detektoren gelangt, einzuschränken, sodass Wissenschaftler bestimmte Zellen oder Partikel in jeder Probe identifizieren können (Abbildung 5).

In den letzten Jahren haben Forscher die Durchflusszytometriefilter verbessert, um ihre Genauigkeit und Präzision zu erhöhen und die gleichzeitige Identifizierung mehrerer Komponenten in einer einzigen Probe zu ermöglichen. Diese Verbesserungen haben die Grenzen von Design und Fertigung erweitert. Die Bedeutung modernster Bandpass- und dichroitischer Filter zeigt sich darin, dass sie im Durchschnitt 10 bis 20 Prozent der gesamten Systemkosten eines Durchflusszytometers ausmachen können.

Andere Innovatoren haben die Durchflusszytometrie verbessert, indem sie herkömmliche Optiken, einschließlich Spiegel und Filter, durch ein dispersives optisches Spektrometer ersetzt haben. Solche Innovationen haben nicht nur die Genauigkeit dieser Geräte verbessert, sondern auch den Probendurchsatz erheblich beschleunigt.

Photonische Sensoren stellen einen 29-Milliarden-Dollar-Markt dar – etwa 16 Prozent des breiteren 180-Milliarden-Dollar-Sensormarktes. Dieses Segment wird bis 2025 voraussichtlich ein starkes Wachstum von 9 Prozent pro Jahr verzeichnen und in diesem Jahr einen Umsatz von 44 Milliarden US-Dollar erreichen (Abbildung 6). Einige Anwendungsbereiche stechen hervor:

Zu den photonischen Sensortechnologien gehören Silizium-Fotodioden, die häufig in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine große Anzahl von Detektoren erforderlich ist. Beispielsweise werden Silizium-Photomultiplier in LiDAR (bei dem Licht in Form von gepulsten Lasern zur Entfernungsmessung verwendet wird) und in Flugzeitanwendungsfällen (bei denen die Entfernung oder Tiefe zwischen der Quelle und einem anderen Objekt bestimmt wird) eingesetzt.

Da OEMs zunehmend auf Photoniksysteme zurückgreifen, um den Kundenbedürfnissen gerecht zu werden, werden die Grenzen zwischen Komponentenlieferanten, Subsystemanbietern und Geräteintegratoren wahrscheinlich weiterhin verschwimmen.

In ähnlicher Weise finden CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) und komplementäre Metalloxid-Halbleitersensoren, die beide Silizium-Fotodioden verwenden, breite Einsatzmöglichkeiten in der Spektroskopie, der maschinellen Bildverarbeitung und in Verteidigungsanwendungen.

Ein weiteres Beispiel: Industrielle Schneidlaser, die in der Fertigung eingesetzt werden, gewinnen durch die Integration von Präzisionsoptiken und Sensoren neue Möglichkeiten. Zunächst stellten die Maschinenbediener die Parameter ein, und der Laser führte den Schnitt genau wie bestellt aus, ohne Anpassungen während des Prozesses. Neuere Geräte umfassen Sensoren, die Parameter wie Oberflächenbeschaffenheit, Dichte, Schnitttiefe und thermische Belastung von Materialien erfassen. Solche Geräte ermöglichen nicht nur Anpassungen in Echtzeit, sondern enthalten auch Präzisionsoptiken, häufig Strahlteilerfilter, um sowohl Laserschneiden als auch Lasermessung im gleichen optischen Pfad zu ermöglichen (Abbildung 7).

Während Branchenakteure nach Möglichkeiten in der Photonik und integrierten Geräten suchen, verdienen Fusionen und Übernahmen erhöhte Aufmerksamkeit. Trotz der jüngsten Deal-Welle bleibt die Lasergerätebranche fragmentiert, da sich viele kleine Unternehmen mit einem Umsatz von weniger als 250 Millionen US-Dollar auf spezialisierte Nischen konzentrieren. Diese Fragmentierung deutet darauf hin, dass Betreiber, Vorstandsmitglieder und Investoren viele Möglichkeiten für synergetische Kombinationen oder Partnerschaften finden könnten.

Einige Laserhersteller und Endkunden verfolgen bereits solche Geschäfte, um die Entwicklung von Geräten zu erleichtern, die Präzisionsoptik, Sensoren und Laser integrieren. Beispielsweise hat ein großer Anbieter von Lithografiesystemen kürzlich ein Unternehmen für Präzisionsoptik übernommen, um zusätzliche Kapazitäten für Produkte im extremen und tiefen Ultraviolettbereich zu gewinnen. Ein anderes führendes Unternehmen für Industrieanwendungen erwarb Minderheitsbeteiligungen an einigen Lasertechnologieunternehmen, um seine Fähigkeiten bei Materialbearbeitungsanwendungen zu stärken. Außerdem wurde ein Unternehmen übernommen, das viele photonische Komponenten und Produkte herstellt, die in Sensoren für autonomes Fahren, Smartphones und digitale Datenübertragung verwendet werden.

Da die Integration von Lasern, Sensoren und Optiken für die Wertschöpfung in Systemen der nächsten Generation immer wichtiger wird, müssen Betreiber und Vorstandsmitglieder ihre Produktstrategien überdenken und sich entlang der Wertschöpfungskette neu positionieren. Beispielsweise dürfte der Bedarf an effektiver Integration und Echtzeitüberwachung die Bedeutung von Software in dieser traditionell hardwarebasierten Branche erhöhen. Neue Anforderungen an die Wartungsfreundlichkeit, wie z. B. Ferndiagnose, Einstellungen und Kalibrierung, könnten auch zusätzliche Möglichkeiten für die Bereitstellung von Diensten über die gesamte Lebensdauer jedes Systems schaffen. Und da OEMs in allen Marktsegmenten zunehmend auf Photoniksysteme zurückgreifen, um auf Kundenbedürfnisse einzugehen, werden die Grenzen zwischen Komponentenlieferanten, Subsystemanbietern und Geräteintegratoren wahrscheinlich weiterhin verschwimmen.

Wie jeder High-Tech-Sektor muss auch die Photonik innovativ sein, um zu überleben. Obwohl die Innovationsgeschwindigkeit in der Lasertechnologie abgenommen hat, könnte die Entwicklung integrierter Geräte, die Laser, Sensoren und Optik kombinieren, ein neues Zeitalter voller Möglichkeiten einläuten. Unternehmen, die solche Geräte jetzt entwickeln, könnten einen First-Mover-Vorteil haben, da Endkunden wahrscheinlich strategische Partnerschaften anstreben, um neue Anwendungen zu erkunden und Produktangebote aufzubauen. Der Übergang zu integrierten Geräten erfordert möglicherweise neue Fähigkeiten, es gibt jedoch zahlreiche Möglichkeiten, diese innerhalb der fragmentierten Branchenlandschaft schnell zu beschaffen.

Gaurav Batraist Partner im McKinsey-Büro in Washington, DC,Ryan Fletcherist Associate Partner im Büro in Südkalifornien, woAbhijit Mahindrooist Partner;Kairat Kasymalievist Berater im New Yorker Büro undNick Santhanamist Senior Partner im Silicon Valley-Büro.

Die Autoren danken Barbara Castro, Brendon Earle, Paulo Guimaraes, Jo Kakarwada, Adam Matula, Jwalit Patel, Mark Sawaya, Emily Shao, Dan Trunzo und Scott Whitehead für ihre Beiträge zu diesem Artikel.

Dieser Artikel wurde von Eileen Hannigan, einer leitenden Redakteurin beim Waltham Client Capability Hub, bearbeitet.