Nanostrukturen aus Graphen und verwandten Materialien oder aus traditionellen Verbindungshalbleitern bilden die Grundbausteine für Lichtquellen und -detektoren in einem breiten Frequenzspektrum. Strukturiert man Graphen in Streifen von wenigen Nanometern Breite, sogenannte Nanoribbons, so entsteht durch die Einschränkung der elektronischen Wellenfunktion eine Bandlücke. Eindimensionale Graphen-Nanoribbons und -Übergitter ermöglichen es, die Bandlücke für optische Anwendungen genau einzus- tellen. In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften solcher Nanostrukturen untersucht. Um die elektronische Bandstruktur zu beschreiben, wird die Tight-Binding-Methode verwendet. Es werden analytische Lösungen für die Dispersionsrelation und die Wellenfunktion angegeben. Aus den entwickelten Modellen erhält man Auswahlreg- eln für die optischen Übergänge in konkreten Strukturen. Die Ergebnisse werden anhand von ab initio Rechnungen verifiziert. Nanoribbons aus einatomigen Bornitrid-Schichten weisen eine wesentlich größere Bandlücke als Graphen-basierte Nanostrukturen auf. Durch Einbetten von Graphen-Nanostrukturen in Bornitrid kann die Bandl- ücke für optische Übergänge noch flexibler eingestellt werden. Die optischen Eigenschaften von eingebetteten Graphen-Nanoribbons und -Übergittern werden untersucht. Dazu zählen die Spektralverteilung, die Quanteneffizienz und die Empfindlichkeit. Auch der Einfluss der Kantenrauigkeit auf die optischen Eigenschaften wird sorgfältig untersucht. Die mögliche Anwendung dieser Nanostrukturen in Photodetektoren wird beleuchtet.
Da die Übergangsenergie zwischen Subbändern und die damit verbundene Wellenlänge stark variiert werden kann, können Intersuband-optoelektronische Bauelemente für Frequenzen in einem großen Bereich ausgelegt werden. In einem Quantenkaskadenlaser können sowohl die Emissionsfrequenz als auch die optische Verstärkung durch den geeigneten Entwurf der Heterostruktur eingestellt werden. Es wird ein spezielles Quantenkaskadenlaser-Design vorgestellt, das zur Erzeugung ultrakurzer Pulse im Infrarot- und Terahertzbereich geeignet ist. Dabei werden die Entwurfparameter wie Schichtdicken und elektrische Feldstärke so eingestellt, dass die Lasereigenschaften optimiert werden und gleichzeitig das gewünschte dynamische Verhalten gewährleistet wird. Zu diesem Zweck wird das Verfahren der Partikelschwarm-Optimierung, einem mehrkriteriellen Optimierungsalgorithmus, angewendet. Für die Erzeugung ultrakurzer Pulse wird die passive Modenkopplung in einem Quantumkaskadenlaser mit einem Ringresonator untersucht, bei dem die Instabilitätsbedingung durch Einbringen eines sättigbaren Absorbers erzeugt wird. Der Einfluss des Absorptionskoeffizienten und der Pumpstärke auf die Stabilitätsgrenze wird untersucht. In der Optimierungsstudie werden drei verschiedene Quantumkaskadenlaser-Designs verwendet: ein Drei-Wannen vertikales Design, ein Übergitter-Design und ein Terahertz-Design. Das optimierte Design weist eine gute optische Verstärkung unterhalb der Stabilitätsgrenze auf. Um die optimierte Struktur jenseits der Stabilitätsgrenze zu analysieren, werden die Maxwell-Bloch Gleichungen numerisch gelöst. Das Zeitverhalten des elektrischen Feldes, der Polarisation und der Besetzungsinversion wird mit Hilfe eines Finite-Differenzen-Verfahrens numerisch bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass in den untersuchten Strukturen die Risken-Nummendal-Graham-Haken- Instabilität auftritt.