Single-photon emitters generate light one photon at a time and are key components for secure quantum communication and photonic quantum information processing. Solid-state quantum emitters are particularly attractive because they can provide bright and stable quantum light while being integrated with photonic circuits.

Localized excitons and atomic defects can also host optically addressable spin states. These quantum states respond sensitively to magnetic fields, temperature, pressure, and strain, enabling nanoscale quantum sensing.

QPOD Laboratory studies both the generation and control of single photons and the optical manipulation of spin defects for quantum sensing. We investigate low-dimensional materials and solid-state defects, including atomically thin platforms such as hBN, to develop integrated quantum light sources, quantum photonic devices, and high-resolution quantum sensors.

일반적인 레이저를 포함한 고전광원은 많은 광자를 확률적으로 방출하지만, 단일광자원은 빛의 최소 단위인 광자를 하나씩 생성합니다. 이러한 개별 광자들은 도청을 감지하여 보안에 특화될 수 있는 양자통신과 광기반 양자컴퓨팅을 위한 양자정보처리의 핵심 구성요소입니다. 실용적인 양자기술을 위해서는 밝고 안정적으로 작동하면서도 광집적회로와 쉽게 결합할 수 있는 고체 기반 양자광원이 필요합니다.

반도체의 국소 엑시톤과 원자 결함은 단일광자뿐 아니라 빛으로 제어하고 읽을 수 있는 전자 스핀을 제공할 수 있습니다. 이 스핀의 양자상태는 미세한 자기장, 온도, 압력 및 변형률에 민감하게 반응하므로, 이를 이용하면 기존 센서로 접근하기 어려운 작은 영역을 측정하는 양자센서를 구현할 수 있습니다.

QPOD 연구실은 다양한 저차원 소재와 고체 결함을 기반으로 양자광원과 스핀 양자센서를 연구합니다. 특히 hBN과 같은 원자층 소재는 광원과 센서를 측정 대상이나 광소자 가까이에 배치하기 쉽고, 다른 광학 플랫폼으로 전사하여 집적할 수 있다는 장점이 있습니다. 이를 바탕으로 제어 가능한 단일광자원, 칩 집적형 양자광소자, 나노스케일 고감도 양자센서 개발을 목표로 합니다.

• G. Grosso^, H. Moon^, B. Lienhard, S. Ali, D.K. Efetov, M.M. Furchi, P. Jarillo-Herrero, M. J Ford, I. Aharonovich, D. Englund, “Tunable and high-purity room temperature single-photon emission from atomic defects in hexagonal boron nitride,” Nature Communications, 8 (1), 705  (2017)

• C. Chakraborty, A. Mukherjee, H. Moon, K. Konthasinghe, L. Qiu, W. Hou, T. Peña, C. Watson, S.M. Wu, D. Englund, N. Vamivakas, “Strain tuning of the emission axis of quantum emitters in an atomically thin semiconductor,” Optica, 7 (6), 580-585  (2020)

• S. Karankova^, Y. Lee, C. Jang, Y. -W. Song*, H. Moon*,  "One-step creation of quantum emitter arrays in hexagonal Boron Nitride by local stress application", Advanced Optical Materials (IF 8.0, JCR 8.0%), 13, 11, 2403018 (2025)

As semiconductor devices approach the atomic scale, conventional electronics faces fundamental limits in power consumption and heat generation. Overcoming these limits requires new materials and devices that can transmit and process information using light and quantum states, rather than relying solely on electrical charge.

In atomically thin two-dimensional semiconductors, photoexcited electrons and holes strongly bind to form excitons. Excitons connect electronic and optical signals and can serve as carriers of energy and information. Because these materials are highly sensitive to strain, electric fields, and their surrounding environment, exciton energy and transport can be controlled with nanoscale precision.

QPOD Laboratory investigates how excitons can be generated, confined, and directed within low-dimensional semiconductors. Our goal is to establish new platforms for compact, low-power optoelectronic devices, excitonic circuits, ultrasensitive sensors, and quantum photonic technologies.

반도체 소자가 원자 크기에 가까워지면서, 전자의 이동만으로 성능을 높이는 기존 기술은 전력 소모와 발열이라는 한계에 직면하고 있습니다. 이를 넘어서는 차세대 정보소자를 구현하려면 전기뿐 아니라 빛과 양자상태를 이용해 정보를 전달하고 처리하는 새로운 소재와 소자가 필요합니다.

원자 한두 층 두께의 이차원 반도체에서는 빛에 의해 생성된 전자와 정공이 강하게 결합하여 엑시톤을 형성합니다. 엑시톤은 전기신호와 광신호를 연결하며, 에너지와 정보를 운반할 수 있는 새로운 매개체입니다. 또한 이차원 반도체는 미세한 변형률, 전기장, 주변 환경에도 민감하게 반응하므로 엑시톤의 에너지와 이동 경로를 나노미터 수준에서 제어할 수 있습니다.

QPOD 연구실은 엑시톤을 원하는 위치에 생성하고 가두며 이동시키는 기술을 연구합니다. 이를 통해 초소형·저전력 광전소자, 엑시톤 회로, 고감도 센서 및 양자광소자의 기반을 마련하고, 궁극적으로 빛과 에너지의 흐름을 설계할 수 있는 새로운 반도체 플랫폼을 개발하고자 합니다.

• H. Moon^, G. Grosso, C. Chakraborty, C. Peng, T. Taniguchi, K. Watanabe, D. Englund,  “Dynamic exciton funneling by local strain control in a monolayer semiconductor,” Nano Letters, 20 (9), 6791-6797  (2020)

• P. Rivera, M. He, B. Kim, S. Liu, C. Rubio-Verdú, H. Moon, L. Mennel, D. A. Rhodes, H. Yu, T. Taniguchi, K. Watanabe, J. Yan, D. G. Mandrus, H. Dery, A. Pasupathy, D. Englund, J. Hone, W. Yao & X. Xu, “Intrinsic donor-bound excitons in ultraclean monolayer semiconductors,” Nature Communications, 12, 871 (2021)

• E. Yeon^, Y. Lee^, S.-J. Han, J.-J. Lee, J. P. Hong, J. W. Kim, S. Y. Kim, S. Karankova, K. Lee, G. Wang, J. Jang*, H. Moon*, D. K. Hwang*, "Intrinsic photovoltaic characteristics of WS2 photodiode via a transparent and pinning-free van der Waals 2D metal", Materials Science and Engineering: R: Reports (IF 26.8, JCR 2.1%), 171, 101245 (2026)

Just as electronics has advanced by integrating millions of transistors onto a single chip, integrated photonics brings multiple optical functions—such as light generation, routing, modulation, and detection—onto a compact platform. This approach can replace bulky optical setups with smaller, more stable, and scalable systems.

Integrated photonics supports applications ranging from optical communication and precision sensing to emerging technologies such as co-packaged optics. It also provides an essential platform for connecting and controlling single-photon emitters and other quantum optical devices on a chip.

QPOD Laboratory aims to develop waveguides, resonators, and optical coupling structures, and to integrate them with excitons in low-dimensional semiconductors and solid-state quantum emitters. We seek to establish photonic platforms that can efficiently generate, route, and control both classical and quantum light.

전자공학이 수많은 트랜지스터를 하나의 칩에 집적하며 발전해 온 것처럼, 광집적회로는 빛을 생성하고 전달하며 제어하는 다양한 광소자를 하나의 칩 위에 구현하는 기술입니다. 이를 통해 크고 복잡한 광학 시스템을 더 작고 안정적이며 확장 가능한 형태로 만들 수 있습니다.

광집적기술은 고속 광통신과 정밀 센싱뿐 아니라, 최근에는 칩 간 데이터 전송의 전력 소모를 줄이기 위한 Co-Packaged Optics (CPO)와 같은 기술에도 활용되고 있습니다. 또한 단일광자원과 양자광소자를 칩 위에서 연결하고 제어하기 위해서도 필수적인 플랫폼입니다.

QPOD 연구실은 광도파로, 공진기 및 광결합 구조를 이차원 반도체의 엑시톤과 고체 양자광원에 결합하는 연구를 수행합니다. 궁극적으로는 고전광신호부터 단일광자까지 칩 안에서 효율적으로 생성·전달·제어할 수 있는 집적 포토닉 플랫폼을 개발하고자 합니다.

• T.-J. Lu, B. Lienhard, K.-Y. Jeong, H. Moon, A. Iranmanesh, G. Grosso, D. Englund, “Bright high-purity quantum emitters in aluminum nitride integrated photonics,” ACS Photonics, 7 (10), 2650–2657 (2020)

• O. Kovalchuk^, S. Gong^, H. Moon*, and Y. -W. Song*, "Graphene-advanced functional devices for integrated photonic platforms", npj Nanophotonics (Invited Review), 2, 1, 31 (2025) 

• B. Ryu, S. Shin, M. Kang, Y. J. Moon, J. Kyhm, H. Moon*, H. S. Jang*, Y.-W. Song*, "Optical Waveguides by Multiphoton Polymerization ...", In Revision (2026)

Optical fibers can serve as thin, flexible sensors for real-time measurements of shape, temperature, and pressure. Changes in bending, strain, or the surrounding environment alter the optical signal, enabling sensing over long distances and in confined spaces.

QPOD Laboratory has developed fiber-optic shape-sensing systems using fiber Bragg gratings and data-driven signal analysis, including three-dimensional tracking for endoscopes and catheters. We further combine optical sensing with deep learning to improve measurement accuracy and robustness for applications in medical devices, robotics, and structural monitoring.

광섬유는 단순히 빛을 전달하는 통신선이 아니라, 외부 환경의 변화를 감지하는 정밀 센서로도 활용될 수 있습니다. 광섬유가 휘거나 늘어나고 온도와 압력이 변하면 내부를 통과하거나 반사되는 빛의 특성도 달라집니다. 이를 분석하면 가늘고 유연한 광섬유 하나로 구조물의 형상과 주변 물리량을 실시간으로 측정할 수 있습니다.

특히 광섬유 센서는 전자기 간섭에 강하고, 긴 거리와 좁은 공간에서도 측정이 가능해 로봇, 의료기기, 구조물 모니터링과 같은 분야에 적합합니다. 여러 지점에서 발생하는 복잡한 광신호는 딥러닝과 데이터 기반 알고리즘을 이용해 해석함으로써 비선형성, 잡음, 센서 간 간섭을 보정하고 측정 정확도를 높일 수 있을 것으로 기대됩니다.

QPOD 연구실은 광섬유 기반 형상·온도·압력 센싱과 신호해석 기술을 개발하고 있습니다. 특히 광섬유 브래그 격자와 데이터 기반 알고리즘을 이용해 내시경과 카테터의 3차원 형상, 구조물의 변형, 온도 및 압력을 실시간으로 측정하는 연구를 수행해 왔습니다. 이를 기반으로 복잡한 센서 신호를 보다 정확하고 안정적으로 해석하고, 의료기기·로봇·스마트 구조물에 적용 가능한 정밀 센서 플랫폼으로 확장하고자 합니다. 

• H. Moon^, J. Jeong, S. Kang, K. Kim, Y.-W. Song, J. Kim, “Fiber-Bragg-grating-based ultrathin shape sensors displaying single-channel sweeping for minimally invasive surgery,” Optics and Lasers in Engineering, Vol.59, pp. 50–55 (2014)

• B. K. Kim, H. Moon, M. Jang, J. Kim, "Rotational Angle Estimation Using Acceleration Sensor Array and Real-time Detection Algorithm", IEEE Transactions on Industrial Informatics (IF 11.7, JCR 1.5%), 20, 12, 13883 - 13892 (2024)

• M. Jang, H. J. Jeon, B. K. Kim, H. Moon, B. Keum, J. Kim*, "Real-Time Three-Dimensional Endoscope Shape Monitoring Using Long and Twist- Suppressed Fiber Bragg Grating Sensors", IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS (IF 7.3, JCR 4.1%), 30, 6, 6467-6477 (2025)