Aufgrund der besonderen optischen Eigenschaften einer Vielzahl von Materialien bei diesen Wellenlängen, ist der Terahertz (THz) Spektralbereich von besonderem Interesse für zukünftige Anwendungen im Bereich der Sensorik oder bei bildgebenden Verfahren. Ein Mangel an effizienten, kompakten und zuverlässigen Lichtquellen bei diesen Frequenzen hemmt jedoch den großflächigen Einsatz dieser Technologie in aktuellen Anwendungen, ein Umstand der auch als THz Lücke bezeichnet wird. THz Quantenkaskadenlaser (quantum cascade lasers, QCLs) sind vielversprechende Laserquellen, um diese Lücke zukünftig zu schließen. Der große Vorteil von QCLs besteht darin, die optischen und elektronischen Eigenschaften der aktiven Zone des Lasers, welche aus einer Halbleiter Nanostruktur besteht, (nahezu) unabhängig von den verwendeten Materialien mittels quantenmechanischen Methoden frei manipulieren zu können. Die unipolare Funktionsweise von QCLs ermöglicht außerdem die freie Gestaltung des Laserresonators. Aufgrund der langwelligen emittierten THz Strahlung werden etablierte Prozesstechniken verwendet, um Resonatoren mit Abmessungen kleiner als die Wellenlänge herzustellen. So können neuartige photonische und plasmonische Konzepte an Lasern untersucht werden, worin der Schwerpunkt dieser Dissertation liegt. Zunächst werden die beiden am häufigsten eingesetzten Wellenleitertypen für THz QCLs, der Double-Metal- (DM) und der Semi-Insulating Surface Plasmon (SISP) Wellenleiter, ausführlich untersucht und neue Konzepte zur Verbesserung der Lasereffizienz entwickelt. So wird eine einfache Methode vorgestellt, um eine, für Laser üblicherweise erwünschte, asymmetrische optische Ausgangscharakteristik zu erhalten. Des Weiteren wird eine direkte Wafer Bonding Technik eingesetzt, um die Wellenleiterdicke zu vergrößern. Dadurch wird die optische Ausgangsleistung und die maximale Betriebstemperatur von THz QCLs mit DM und SISP Wellenleiter erhöht. Auf diesem Wege werden besonders hohe Ausgangsleistungen von nahezu 1 W in gepulstem Betrieb erreicht. Im letzten Teil dieser Arbeit werden elektrisch gepumpte, gekoppelte Mikrozylinder (microdisk) Laser untersucht, welche aus THz QCLs mit DM Wellenleiter bestehen. Aufgrund des schmalbandigen Intersubband Übergangs sind diese Systeme ideal dafür geeignet, die optischen Eigenschaften der aktiven Zone selbst und weitere interessante physikalische Effekte zu untersuchen. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse sind wichtig für die Entwicklung von zukünftigen integrierten photonischen Systemen. Im Speziellen wurde ein kürzlich vorhergesagter Effekt experimentell nachgewiesen, wobei ein sogenannter Exceptional Point (EP) die Laserfunktion beeinflusst. Unter gewissen Voraussetzungen verringert sich dabei die optische Ausgangsleistung des gekoppelten Lasersystems, obwohl es stärker gepumpt wird. Dieses Verhalten ist auf die Bewegung der Eigenwerte des Systems in der komplexen Ebene zurückzuführen.
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The terahertz (THz) spectral region is of particular interest for future sensing, imaging or detection applications, taking advantage of the unique optical properties of numerous materials at these wavelengths. However, a widespread use of this technology in current applications is impeded by a lack of efficient, compact, and reliable sources, which is known as the so-called THz gap. Quantum cascade lasers (QCLs) are electrically pumped devices, consisting of a semiconductor nanostructure, which are able to emit coherent radiation at THz frequencies and are thus promising candidates for bridging this gap. One great advantage of these devices is the freedom to design the optical and electronic properties of the laser active region (almost) independently of the used semiconductor materials by quantum mechanical methods. Besides the gain medium, the THz QCL cavity can be designed and engineered freely, which is a consequence of the unipolar operation principle of the laser. The comparably long emission wavelength enables the fabrication of sub-wavelength resonators using well established processing techniques. In this way, lasers featuring novel photonic and plasmonic concepts can be realized, which is the main focus of this thesis. In particular, the two most commonly used waveguide types, the double-metal (DM) and the semi-insulating surface plasmon (SISP) waveguide, are investigated in detail, and concepts are developed to improve the device performance by optimizing the laser cavity. Specifically, the influence of the facet type of DM waveguides on the performance of the device is investigated. As a result, a simple method to obtain an asymmetric optical output characteristic is developed, which is typically desired for a laser. Furthermore, a direct wafer bonding technique is introduced to increase the waveguide height, which improves the general performance of devices with DM and SISP waveguides in terms of optical output power and maximum operating temperature. Exceptionally high output powers of almost 1~W in pulsed mode are achieved in this way. In the final section of this work, electrically pumped coupled microdisk lasers are presented, which are realized using THz QCLs with DM waveguides. Due to the narrowband intersubband gain, these systems, in fact, are ideal to investigate the properties of the active region itself and, furthermore, interesting physical phenomena, important for the development of future photonic devices. In particular, a recently predicted effect relying on the occurrence of a so-called exceptional point (EP) in the laser equations, was experimentally verified, which leads to a counter-intuitive reversal of the laser's pump dependence. An increasing pump in this system, effectively, leads to a decreased emission, which can be explained by the specific movement of the system's eigenvalues in the complex plane.
