La prochaine vague d’innovation en photonique

Einstein a posé 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 étaient 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 de l’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 laser pour faire exploser des roches sur Mars, permettant aux scientifiques d'analyser les produits chimiques présents dans les vapeurs résultantes.

Cet article est le fruit d'une collaboration entre Gaurav Batra, Ryan Fletcher, Kairat Kasymaliev, Abhijit Mahindroo et Nick Santhanam, représentant les points de vue de l'Advanced Electronics Practice de McKinsey.

Même si le marché du laser n’a cessé de croître 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, notamment ceux liés à la transmission par télécommunications, au marquage et à la gravure, ainsi qu'à la biodétection. Mais le secteur est peut-être désormais 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 de nombreux secteurs, 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 acteurs 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, notamment 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 en prennent également conscience.

Bien que la technologie laser n’ait cessé d’évoluer depuis sa création, deux époques d’innovation se démarquent. Au cours des années 1970 et 1980, les chercheurs ont fait d’importantes découvertes dans le domaine de la physique des lasers qui ont fait progresser la technologie, même si de nombreuses applications étaient 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, à mesure qu'ils étaient perfectionnés 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 des soins de santé à l'électronique en passant par la fabrication industrielle. Ces innovations ont permis au marché des appareils laser d’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 brevet liées au laser aux États-Unis, soit plus du double par rapport à la décennie précédente (Figure 1). Cependant, entre 2011 et 2020, seules 24 000 demandes environ 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 de lumière cohérente souhaité. Ces faisceaux sont composés de photons (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 se propager 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 pertes, que les lasers à semi-conducteurs ou liquides.