フォトニクスにおける次のイノベーションの波

アインシュタインが基礎を築いた 1917 年に発表された彼の画期的な論文「放射線の量子理論」でレーザー技術について言及されました。数年にわたる開発を経て、最初に広く商業化されたレーザーは 1960 年代に市場に登場し、科学から外科まで幅広い用途に使用されました。 初期の頃から、狭く集束した光線を生成するレーザーのユニークな機能により、バーコード スキャン、DNA シーケンス、半導体チップの製造など、他の多くのユースケースが可能になりました。 最も斬新な用途の 1 つとして、NASA 探査機キュリオシティはレーザー対応機器を使用して火星の岩石を爆破し、科学者が生成された蒸気中の化学物質を分析できるようにしました。

この記事は、Gaurav Batra、Ryan Fletcher、Kairat Kasymaliev、Abhijit Mahindroo、Nick Santhanam による共同作業であり、マッキンゼーのアドバンスト エレクトロニクス プラクティスからの見解を表しています。

レーザー市場は 1970 年代以来着実に成長してきましたが、過去 10 年間で技術革新と収益の伸びは鈍化しました。 コア技術が成熟するにつれて、多くの低コスト企業が市場に参入しました。 このため、通信伝送、マーキングと彫刻、バイオセンシングなどの大量最終製品に使用されるレーザーの平均販売価格が圧迫されています。 しかし、この分野は現在、レーザーが光学素子やセンサーとますます組み合わされて、さらに洗練されたアプリケーションを可能にする、イノベーションの新時代の頂点にある可能性があります。 これらの統合デバイスは、多くの業界でまだ開発中のものが多く、レーザー市場を高度成長軌道に戻すだけでなく、主な価値の源泉にもなる可能性があります。

フォトニクス業界の関係者が今後の機会を評価できるよう、私たちはレーザーエンド市場全体の最近の発展を評価しました。 次に、光学およびセンサーの分野を詳細に調査し、そのようなテクノロジーがレーザーと組み合わせたときに提供できる独自の機能に焦点を当てました。 オーナー、経営者、取締役会メンバーなどの業界関係者はこれらの利点を認識しており、合併、買収、戦略的パートナーシップを通じて自社の技術力を拡大するために急速に動いています。 投資家も注目している。

レーザー技術はその誕生以来継続的に成熟してきましたが、2 つの時代の革新が際立っています。 1970 年代から 1980 年代にかけて、研究者は核となるレーザー物理学で重要な発見を行い、技術を進歩させましたが、多くの応用は科学、実験室、研究開発の現場に限定されていました。 そして、最近の 30 年間で、レーザー デバイスは、性能、堅牢性、信頼性を向上させるために改良され、研究室から商業領域へと真に移行してきました。 この時期に、手術、リソグラフィー、溶接などの多くの新しいレーザー アプリケーションが登場し、ヘルスケアからエレクトロニクス、工業製造に至るまでの業界で画期的な進歩を可能にしました。 これらのイノベーションにより、レーザー デバイス市場は 2020 年までに 170 億ドルの価値を達成しました。

業界の技術進歩と好調な収益にもかかわらず、最近のいくつかの指標は懸念を引き起こしています。 登録された特許の数で測定されるイノベーションのペースを見てみましょう。 2001 年から 2010 年にかけて、研究者は 29,000 件以上のレーザー関連特許を米国に出願しました。これは、前の 10 年間に比べて 2 倍以上増加しました (図 1)。 しかし、2011年から2020年までの数年間に提出された申請はわずか約24,000件でした。 従来、特許出願件数が10年ごとに2倍になってきた業界では、この減少は異常事態だった。

レーザーは固体を使用できますが、液体または気体を利得媒体（光増幅源）として使用し、目的のコヒーレント光ビームを生成します。 このようなビームは、同じ周波数と波形を持つ光子 (電磁放射の最小の離散量または量子を表す粒子) で構成されます。 この均一性により、ビームの広がりや拡散が防止されます。 ガスレーザーは、CO2 またはその他のガスを利得媒体として使用し、通常、固体レーザーや液体レーザーよりも損失が少なく、より均一な発光を実現します。

レーザー カテゴリの例は次のとおりです。

特許出願数の減少と並行して、技術の焦点は、ファイバー、ダイオード、ソリッドステート、二酸化炭素 (CO2)、エキシマ、量子カスケードなどの最も重要なレーザー技術の一部に移りつつあります。 (これらのカテゴリについては、サイドバー「レーザー技術の概要」で簡単に説明します。)

レーザーの最大のカテゴリーであるファイバーは現在、出願された全特許の 45% 以上を占めています。 ファイバーがシェアを獲得した理由の一部は、ファイバーがビームサイズをミクロレベルまで集束でき、CO2 よりも小さなパッケージでより多くの電力を生成できるためです。 したがって、金属の切断や溶接などの用途に最適な速度と精度を提供します。 繊維は、特に皮膚科処置における新しい医療用途も可能にしました。

過去 20 年間、量子カスケード レーザーは開発において大きな課題に直面してきましたが、その効率と波長範囲により、医療診断、光通信、産業プロセスのモニタリングにおいて新たな機会が開かれました。 最近、このカテゴリーは繊維よりも急速に成長しています。 過去 10 年間で特許の 19 パーセントを占め、2001 年から 2010 年の 7 パーセントから増加しました。

全体として、レーザー特許出願の数は減少しています。これは、これらのデバイスが業界内で足場を築くと、持続力が持続する傾向があるためです。 従来、革新的なレーザー技術は、市場に投入されるまでに数十年の研究開発と数億ドルの資金が必要となるため、企業はアプリケーションに実行可能なソリューションを見つけても、代替案を探す可能性は低いです。 これは、すべてのコアレーザー技術のカテゴリシェアが今後数年間で大幅に変化するとは予想されないことを意味します（図表 2）。 ダイオード、ファイバー、ソリッドステート、および CO2 テクノロジーは現在レーザー収益の 90% を占めており、今後も市場を支配し続けるでしょう。 ファイバー技術は、主に他の種類のレーザーに比べて設計がシンプルでコスト面で有利であるため、最も成長すると予測されています。

これまでと同様、アプリケーションには多様なニーズがあるため、ほとんどの産業は複数の種類のレーザーに依存することになります。 たとえば、産業企業は金属の切断にはファイバー レーザーを使用しますが、材料の種類ごとに異なる発光波長と性能要件があるため、プラスチック、ガラス、木材の場合は CO2 レーザーに依存する場合があります。

特許出願数が減少したとしても、レーザーデバイス市場は 2025 年までに 10% の比較的高い成長を遂げ、その価値は約 280 億ドルに達すると予想されます (図表 3)。 航空宇宙および防衛分野は、センシング、追跡、および対策のための高性能で高コストのレーザーの使用が増加しているため、年間最高の成長 (24%) を達成できる有利な立場にあります。 データストレージや印刷などのいくつかのアプリケーションは、次世代テクノロジーがレーザーから移行するにつれて減少する可能性があります。

最も力強い成長を遂げている業界は、レーザーと他のテクノロジーの進歩を組み合わせたアプリケーションへの依存度を高めています。

光学技術、レーザー技術、センサー技術、特に出力、波長、光学設計を慎重に調整することが、成功のために重要です。

潜在的なアプリケーションの数を拡大することに加えて、光学素子とセンサーもレーザーの性能を新たなレベルに引き上げることができます。 たとえば、統合デバイスは、網膜組織の 2D および 3D 画像を撮影するための非侵襲的手順である光コヒーレンストモグラフィーにとってすでに重要です。 レーザーベースの統合システムの可能性を最大限に引き出すために、私たちはまず精密光学およびフォトニックセンサー分野を調査し、中核技術、最近の成長、今後の採用に注目しました。 現在、両方の市場が成長しており、統合レーザーデバイスの増加によりその価値がさらに高まる可能性があることがわかりました。

総額 330 億ドルの光学市場には、レーザーベースのシステムの精度とパフォーマンスを向上させることができる次のようなコンポーネントが含まれています。

精密光学部品の価値は200億ドルで、光学部品市場全体の約3分の2を占めており、2025年までに8％という高い成長が見込まれています（図表4）。 バイオセンシング、セキュリティ、ポータブル デバイス LiDAR などの消費者向けアプリケーションが需要の大部分を牽引すると考えられます。 自動車、半導体、宇宙分野も精密光学分野の収益の大部分を占めることになる。

レーザーベースのデバイスのパフォーマンスに対する高精度光学系の影響の増大を理解するには、フローサイトメトリーを検討してください。 このプロセスでは、生物学的サンプルを通してレーザーを照射し、血液中の細胞や粒子を含む個々の細胞や粒子の物理的および化学的特性を評価します。 フローサイトメトリー システムは、バンドパス フィルターとダイクロイック フィルターを使用して検出器に通過する光の波長を制限し、科学者が各サンプル内の特定の細胞または粒子を識別できるようにします (図 5)。

近年、研究者らはフローサイトメトリーフィルターを改良して、精度と精度を高め、単一サンプル内の複数の成分を同時に識別できるようにしました。 これらのアップグレードにより、設計と製造の限界が押し上げられました。 最先端のバンドパス フィルターとダイクロイック フィルターの重要性は、それらがフローサイトメーター システム全体のコストの平均 10 ～ 20 パーセントを占める可能性があるという事実に反映されています。

他の革新者は、ミラーやフィルターを含む従来の光学系を分散光学分光計に置き換えることによってフローサイトメトリーを強化しました。 これらのデバイスの精度の向上に加えて、このような技術革新によりサンプルのスループットが大幅に加速されました。

フォトニック センサーは 290 億ドルの市場を占めており、これは広範な 1,800 億ドルのセンサー市場の約 16% に相当します。 この部門は 2025 年まで毎年 9% という高い成長を遂げ、同年の収益は 440 億ドルに達すると予測されています (図表 6)。 いくつかの応用分野が際立っています。

フォトニックセンサー技術にはシリコンフォトダイオードが含まれており、大量の検出器が必要なアプリケーションで広く使用されています。 たとえば、シリコン光電子増倍管は、LiDAR (パルスレーザーの形で光を使用して距離を測定する) や飛行時間型のユースケース (光源と別の物体との間の距離または深さを決定することを含む) で使用されます。

OEM が顧客のニーズに対応するためにフォトニクス システムにますます注目するにつれ、コンポーネント サプライヤー、サブシステム プロバイダー、デバイス インテグレーター間の境界線はおそらく今後も曖昧になり続けるでしょう。

同様に、電荷結合素子 (CCD) センサーと相補型金属酸化物半導体センサーは、どちらもシリコン フォトダイオードを使用しており、分光分析、マシン ビジョン、防衛用途で幅広い用途に使用されています。

別の例として、製造で使用される産業用切断レーザーは、高精度の光学素子とセンサーの統合によって新しい機能を獲得し始めています。 最初に機械オペレーターがパラメータを設定すると、レーザーは途中で調整することなく、注文どおりに切断を完了しました。 最近のデバイスには、材料の表面仕上げ、密度、切込み深さ、熱応力などのパラメータを検出するセンサーが含まれています。 このようなデバイスは、リアルタイム調整を提供するだけでなく、同じ光路内でレーザー切断とレーザー測定の両方を可能にする精密光学部品、多くの場合ビーム分割フィルターも備えています（図表 7）。

業界の利害関係者がフォトニクスおよび集積デバイス内の機会を追求するにつれ、M&A への注目が高まるに値します。 最近の取引の波にもかかわらず、レーザーデバイス業界は依然として細分化されており、収益が 2 億 5,000 万ドル未満の小規模企業が多く、特殊なニッチ市場に注力しています。 この断片化は、事業者、取締役会メンバー、投資家が相乗効果のある組み合わせやパートナーシップの多くの機会を見つける可能性があることを示唆しています。

一部のレーザーメーカーと最終顧客は、精密光学、センサー、レーザーを統合したデバイスの作成を促進するために、すでにそのような取引を進めています。 たとえば、リソグラフィー システムの大手サプライヤーは最近、極紫外および深紫外製品の追加機能を獲得するために精密光学会社を買収しました。 別の産業応用大手企業は、材料加工応用分野の能力を強化するために、いくつかのレーザー技術企業の少数株を取得した。 また、自動運転、スマートフォン、デジタルデータ伝送用のセンサーに使用されるフォトニクスコンポーネントや製品の多くを製造する企業も買収した。

次世代システムの価値を生み出すためにレーザー、センサー、光学系の統合がますます重要になるにつれ、オペレーターや取締役会のメンバーは製品戦略を再考し、バリューチェーンに沿って自らの位置を再設定する必要があります。 たとえば、効果的な統合とリアルタイム監視の必要性により、この伝統的にハードウェア主導の業界ではソフトウェアの重要性が高まる可能性があります。 リモート診断、調整、校正などの新しい保守性要件により、各システムの耐用年数にわたってサービスを提供する追加の機会が生まれる可能性もあります。 そして、市場セグメント全体の OEM が顧客のニーズに対応するためにフォトニクス システムに注目することが増えているため、コンポーネント サプライヤー、サブシステム プロバイダー、デバイス インテグレーターの間の境界線はおそらく今後も曖昧になり続けるでしょう。

他のハイテク分野と同様に、フォトニクスも生き残るために革新する必要があります。 レーザー技術の革新の速度は低下していますが、レーザー、センサー、光学系を組み合わせた統合デバイスの作成により、新たなチャンスの時代が到来する可能性があります。 最終顧客は新しいアプリケーションを探索し、製品提供を構築するための戦略的パートナーシップを求める可能性が高いため、現在このようなデバイスを開発する企業は先行者利益を得ることができる可能性があります。 統合デバイスへの移行には新しい機能が必要になる可能性がありますが、細分化された業界環境の中でそれらを迅速に調達する機会は豊富にあります。

ガウラフ・バトラマッキンゼーのワシントン DC オフィスのパートナーです。ライアン・フレッチャーは南カリフォルニアオフィスのアソシエイトパートナーです。アビジット・マヒンドラオパートナーです。カイラート・カシミリエフニューヨーク事務所のコンサルタントであり、ニック・サンタナムシリコンバレーオフィスのシニアパートナーです。

著者らは、この記事への貢献について Barbara Castro、Brendon Earle、Paulo Guimaraes、Jo Kakarwada、Adam Matula、Jwalit Patel、Mark Kawaya、Emily Shao、Dan Trunzo、Scott Whitehead に感謝します。

この記事は、Waltham Client Capability Hub の上級編集者である Eileen Hannigan によって編集されました。