麦肯锡：2025年全球光子学系统市场近2万亿美元

2023-02-03 15:28

知名管理咨询公司麦肯锡的一份最新报告显示，光子学支持的系统设备已经在消费者、企业和政府组织中获得了广泛使用，其相关产品的全球市场价值达1．4万亿美元。到2025年，光子学系统市场预计将增长到近2万亿美元。

这种增长得益于原材料以及激光器、传感器、光学器件和其他光子学组件的发展。尽管目前规模还比较小，但基于几个大趋势，包括自动化程度的提高以及数字化和云计算的爆发，光子学组件市场将迅速扩张。随着这一市场持续保持两位数的高速增长，未来几年，大型零部件企业将迎来突围的关键时期。

以下报告文章中，麦肯锡对两大市场的规模和估计增长进行了分析：光子学组件和光子学支持产品。文章还讨论了一些使光子学组件供应商受益的主要趋势，以及这些供应商如何抓住全球光子学市场即将到来的机会。

一、全球光子学市场规模不断增长

光子学组件无处不在：军用夜视系统和消费者使用的智能手机上有它们的身影；许多主要城市的路灯都有光子学组件，城市太阳能加热建筑中的光伏电池也是如此；最先进的制造工厂使用光子激光进行标记和切割；汽车制造商在先进驾驶辅助系统（ADAS）中利用了光子学。

此外，随着光子学技术的发展与成熟，一些设备与系统或将很快成为潜在的少数应用，我们会看到：能够实现每秒2Tb数据传输的半导体激光器；集成了3D传感器的手机可以播放更具互动性的游戏和广告；基于光的技术，针刺和手术刀将成为某些医疗操作程序的“过去时”；激光定向能武器可以抵御外国威胁并确保国家安全……

据麦肯锡分析，消费类应用占据了光子学支持系统的最大份额，其次是军工防御和显示应用。从现在到2025年，排名前10的终端市场的平均复合年增长率预计将达到6％。太阳能、汽车和LED相关收入的增长速度将远远高于这一水平，其中半导体收入增长最慢（如图1）：

图1 光子学支持的系统在终端市场继续强劲增长：

麦肯锡：2025年全球光子学系统市场近2万亿美元

（全球光子学系统市场规模－按不同终端市场划分，单位：十亿美元）

从上到下分别为：消费领域、军防、显示、光伏、LED照明、医疗及生物器械、半导体设备、工业与制造、汽车、航天航空

1200亿美元的组件收入仅为光子学系统的十二分之一。但是组件收入的复合增长率高于系统收入（10％ VS 6％），因为光子学在许多垂直领域的整体系统份额正持续增加。离散光学是目前最大的细分市场，收入超过350亿美元；激光则约为100亿美元，是最小的子领域（图2）。

图2 零部件的基数较小，但增长更快：

麦肯锡：2025年全球光子学系统市场近2万亿美元

（全球光子学组件市场规模，单位：十亿美元。上图浅蓝、宝蓝、蓝黑色分别显示的是2021年的市场规模、2025年市场规模，2021－2025年的复合年增长率）

二、行业大趋势对细分垂直领域的影响

作为分析的一部分，麦肯锡研究了光子学组件中30个细分垂直行业的增长前景和潜在的盈利能力。一些细分垂直领域（特别是传感器领域），在未来五年的盈利能力和增长水平可能会相当低。例如，互补金属氧化物半导体（CMOS）和电荷耦合器件（CCD）传感器都是成熟的商品化技术，但在这两项财务指标上都将低于平均水平。硅光子学和超快激光器等其他细分垂直领域的增长和盈利能力则都要高得多。处于有利位置的细分垂直行业将受益于六大趋势：

1）对数据传输速度的需求激增。随着数字化和物联网（IoT）产生越来越多的数据，对计算能力的需求也在上升。云计算进一步增加了对快速数据传输的需求。对于在光通信产品领域占有一席之地的元器件制造商来说，这是一个相当大的机会。

2）远程视觉和传感应用的增长。增强现实、自动驾驶、过程自动化和无人侦察不再是未来的概念，它们已经在消费者、商业和政府环境中使用。为了使这些工具具有所需的复杂程度和性能，将需要新的组件。

3）数字化和增材制造的兴起。如今，3D打印机被用于制造从半导体到汽车零部件和原型的一切东西。光子学元件对于提高3D打印设备的性能和降低其成本至关重要。

4）非侵入性生命科学的快速发展。非侵入性技术促进了多种疾病（包括癌症和糖尿病）的治疗。这些技术还可以帮助医疗保健变得更高效和更容易获得。实现这些程序的许多激光器依赖于光子材料。

5）向可持续能源转型。减少有害排放和污染物的压力将会加大，这将增加世界各地对可再生能源的需求——这应该会给生产光伏组件的公司带来提振效应。

6）地缘政治不确定性增加。地缘政治领域的不稳定意味着各国政府将寻求在国防和监视方面进行创新，加强供应链，自动征收关税或禁止某些产品的贸易。光子学组件需要推进这其中的一些举措。

那么，哪些细分垂直行业将从这些趋势中受益最大？在麦肯锡分析的30个细分垂直行业中，有5个尤其具有前景（如图3）：

1）面向数据中心收发器硅光子学。这一光子元件的“萌芽”领域目前的市场收入只有5亿美元左右，但未来有望实现爆发式增长。通过将硅集成电路和半导体激光器相结合，硅光子学在长距离传输数据的速度上比传统电子元件已经有了显著的提升。数据中心收发器预计将成为最大的市场。

2）超快激光器。这些组件能够发射亚纳秒级别的脉冲，这使它们在“冷”材料加工方面颇具优势。它们的加工精度能够精确到10微米以内。目前市场对超快激光器的需求有限，但随着电动汽车、5G和医疗设备小型化等方面的技术革新不断涌现，这一方面的市场需求将会进一步增长。

3）垂直腔面发射激光器（VCSELs）。VCSEL是一种在与半导体外延片垂直方向上形成光学谐振腔、发出的激光束与衬底表面垂直的半导体激光器结构。这项技术开始应用于电脑鼠标、3D成像和传感，以及工业加热，在虚拟现实（VR）和平视显示器等领域也会越来越普遍。

4）蓝宝石玻璃和显示窗口。蓝宝石材料硬度仅次于钻石，经久耐用，耐刮擦，透明度高。它有潜力在工业激光器、水下摄像机和海洋光谱仪，以及需要保护免受恶劣环境影响的军事显示器中发挥重要作用。

5）非线性光学晶体。这些元件可以对入射光的频率、偏振、相位或路径等特性产生非线性光学效应（例如，二次谐波产生、和频产生或光学整流）。它们在非侵入性医疗程序中有一些初步用途，包括眼科、骨科和皮肤科程序，而且这些应用正在扩大。

图3 光子学细分行业的预期增长和利润率之比：

麦肯锡：2025年全球光子学系统市场近2万亿美元

上图中：纵向为光子学细分行业2021－2025年之间的预期年复合增长率，横向为这些细分领域2021年的利润率和毛利率（％）

不同颜色由上自下分别为：传感部件、离散光学组件、激光器、光通讯

A：垂直腔面发射激光器（VCSELs）

B：蓝宝石玻璃和显示窗口

C：非线性光学晶体

D：超快激光器

注：面向数据中心收发器硅光子学未统计未显示在上图中

三、并购在光子学行业中发挥关键作用

在全球范围内，大约有30家光电元件公司的收入超过10亿美元。全球光子学市场还包括数百家收入低于1000万美元、员工不足50人的其他组件公司。这种“长尾效应”表明，这个行业仍处于相对早期的阶段。

并购之势已难以阻挡。事实上，这一领域已经开始卷起整合浪潮，在过去7年里更是已经发生了数百宗的交易。尽管交易数量自2018年达到66笔的峰值以来有所下降（图4），但2021年让人瞩目的两笔大型交易——Teledyne以82亿美元收购FLIR、II－VI以69亿美元收购Coherent（2022年完成），推动光子学市场交易总价值突破了200亿美元——这一数字是此前任何一年的两倍多。

图4 过去7年光子学行业的并购势头意义重大，从下图中可见一斑：

麦肯锡：2025年全球光子学系统市场近2万亿美元

（左边为2015－2021年光子学行业的并购数量趋势变化图：深蓝色线为全部并购交易数量，亮蓝色线为已公布的并购交易价值；右边为已披露的光子学行业并购交易规模：亮蓝色为前两大并购交易的价值，黑蓝色为其他并购交易）

近年来约有一半的交易是为了实现和推动自上而下的垂直整合，因为企业希望控制价值链的更多环节，并开启系统级创新。垂直整合交易的一个例子是2020年某光刻系统供应商收购了一家在极紫外和深紫外产品领域有经验的精密光学公司。

第二大类并购实际上也反映了自上而下的战略。第二种类型的收购者（自下而上的垂直整合收购者）认为，并购有助于他们进入光子学组件领域的高价值领域，并扩大他们的可及市场。这样的交易发生在2019年，当时一家大型材料公司收购了一家激光和光通信公司，以在火热的VCSEL领域站稳脚跟。

也有一些交易是为了横向扩张，目的是进入相邻的终端市场。比如，2016年一家大型多元化激光公司收购了一家光纤激光器公司，以扩大其产品组合。根据麦肯锡的分析，随着光子学领域整合浪潮持续，这将继续成为三个主要的交易类别。

四、光子学元器件企业未来3年中的发展趋势

对于所有的光子学组件公司而言，没有一个绝对“正确”的价值创造战略。但有三个方面是所有目前或正在考虑投资的公司都应该考虑的：

（1）在细分垂直行业的“上层”占据一席之地。随着器件行业每年10％的整体增长，以及越来越多的应用需要某种程度的光子学集成，未来几年将迎来众多有意思的变化。许多细分垂直行业对组件的需求将会增加，特别是在硅光子学、超快激光器、VCSELs、蓝宝石玻璃和NLO晶体等领域。那些在增长最快的领域拥有一席之地（或者能够获得一席之地）的零部件公司将有很好的机会超越同行。

（2）利用并购来增加价值。垂直整合的趋势已经改变了全球光子学市场的竞争动态局面，并且有充分的理由相信这一趋势将会继续下去。考虑到垂直整合将对该行业的利润池产生的影响，企业应该已经在寻找潜在的交易合作了。不过与此同时，他们还应该清楚地知道自己的出发点：他们是在光子学的商品部分还是一个专门的部分？他们应该向上整合（整合到系统中）还是向下整合（整合到组件中）？并购将成为行业价值创造的重要工具——每个公司都应该掌握这样的手段和“武器”。

（3）确保强有力的财务管理。在某种程度上，这仅仅是一个基本的业务规程。众所周知，每家公司都应该限制其运营和资本支出，以保持成本竞争力，但在新兴技术领域，这些原则并不总是会被遵守。研发效率、市场布局整合和资本生产率在光子学领域将变得越来越重要，因为整合的势头越来越大，行业也越来越成熟。

小结

近年来，基于光的技术在一系列广泛的产品领域中获得了越来越多的应用，进一步扩大了光子学公司的机会。未来，表现最好的公司将会是那些将自己定位于增长最快的产品领域的公司。光子学公司也可能发现自己成为并购讨论话题中的热点。大浪淘金，胜利终将属于那些能够熟练运用手中技能的玩家！

注：以上文章编译自麦肯锡2023年1月20日发布的文章《光子学公司在下一波增长中的关键决策》（Imperatives for photonics companies in the next wave of growth），文／ Ryan Fletcher， Abhijit Mahindroo， Jwalit Patel，图表来源自麦肯锡。