Kristal fotonik adalah nanostruktur optik di mana indeks bias berubah secara periodik. Hal ini memengaruhi perambatan cahaya dengan cara yang sama seperti struktur kristal alami menghasilkan difraksi sinar-X dan seperti kisi atom (struktur kristal) pada semikonduktor memengaruhi konduktivitas elektronnya. Kristal fotonik terjadi secara alami dalam bentuk pewarnaan struktural dan reflektor hewan, dan—ketika diproduksi secara artifisial—berpotensi berguna dalam berbagai aplikasi.

Kristal fotonik dapat dibuat dalam satu, dua, atau tiga dimensi. Kristal fotonik satu dimensi dapat dibuat dari lapisan film tipis yang disusun bertumpuk. Kristal dua dimensi dapat dibuat dengan fotolitografi atau dengan mengebor lubang pada substrat yang sesuai. Metode fabrikasi untuk kristal tiga dimensi meliputi pengeboran dari berbagai sudut, menumpuk banyak lapisan 2D di atas satu sama lain, penulisan laser langsung, atau, misalnya, memicu self-assembly bola-bola dalam suatu matriks lalu melarutkan bola-bola tersebut.

Kristal fotonik pada prinsipnya dapat digunakan di mana pun cahaya perlu dimanipulasi. Sebagai contoh, cermin dielektrik adalah kristal fotonik satu dimensi yang dapat menghasilkan cermin dengan reflektivitas sangat tinggi pada panjang gelombang tertentu. Kristal fotonik dua dimensi yang disebut serat kristal fotonik digunakan dalam komunikasi serat optik, di antara aplikasi lainnya. Kristal tiga dimensi suatu hari nanti dapat digunakan dalam komputer optik, dan dapat menghasilkan sel fotovoltaik yang lebih efisien.^[1]

Meskipun energi cahaya (dan semua radiasi elektromagnetik) terkuantisasi dalam unit yang disebut foton, analisis kristal fotonik hanya membutuhkan fisika klasik. Kata “fotonik” dalam namanya merujuk pada fotonika, sebuah istilah modern untuk studi cahaya (optik) dan rekayasa optik. Penelitian pertama tentang apa yang kini kita sebut kristal fotonik mungkin dimulai pada tahun 1887 ketika fisikawan Inggris Lord Rayleigh bereksperimen dengan tumpukan dielektrik berlapis periodik, menunjukkan bahwa struktur tersebut dapat menghasilkan celah pita fotonik satu dimensi. Minat penelitian meningkat pada tahun 1987 dengan karya Eli Yablonovitch dan Sajeev John tentang struktur optik periodik lebih dari satu dimensi—yang kini disebut kristal fotonik.

Difraksi dari struktur periodik sebagai fungsi panjang gelombang datang. Untuk beberapa rentang panjang gelombang, gelombang tidak dapat menembus struktur.^{[butuh rujukan]}

Kristal fotonik tersusun atas mikrostruktur atau nanostruktur dielektrik periodik, metalo-dielektrik, atau bahkan superkonduktor yang memengaruhi perambatan gelombang elektromagnetik dengan cara yang sama seperti potensial periodik dalam kristal semikonduktor memengaruhi perambatan elektron, menentukan pita energi elektronik yang diizinkan dan dilarang. Kristal fotonik memiliki daerah-daerah berulang yang tersusun secara teratur dengan indeks bias tinggi dan rendah. Gelombang cahaya dapat merambat melalui struktur ini atau dilarang merambat, bergantung pada panjang gelombangnya. Panjang gelombang yang dapat merambat dalam arah tertentu disebut mode, dan rentang panjang gelombang yang dapat merambat disebut pita. Rentang panjang gelombang yang tidak diizinkan disebut celah pita fotonik. Hal ini menimbulkan fenomena optik khas seperti penghambatan emisi spontan,^[2] cermin omni-arah berpantulan tinggi, dan pemandu gelombang dengan rugi-rugi rendah. Celah pita kristal fotonik dapat dipahami sebagai interferensi destruktif dari berbagai pemantulan cahaya yang merambat dalam kristal pada setiap antarmuka antara lapisan dengan indeks bias tinggi dan rendah, mirip dengan celah pita elektron dalam padatan.^{[butuh rujukan]}

Ada dua strategi untuk membuka celah pita fotonik lengkap. Pertama, meningkatkan kontras indeks bias sehingga celah pita dalam setiap arah menjadi lebih lebar; kedua, membuat zona Brillouin menjadi lebih mirip bola.^[3] Namun, strategi pertama dibatasi oleh teknologi dan material yang tersedia, dan strategi kedua dibatasi oleh teorema batasan kristalografi. Karena itu, kristal fotonik dengan celah pita lengkap yang telah didemonstrasikan sejauh ini memiliki kisi kubik berpusat-muka (face-centered cubic) dengan zona Brillouin paling mendekati bentuk bola dan dibuat dari material semikonduktor berindeks bias tinggi. Pendekatan lain adalah memanfaatkan struktur kuasikristalin yang tidak memiliki batasan kristalografi. Celah pita fotonik lengkap telah dilaporkan pada sampel kuasikristalin polimer berindeks rendah yang diproduksi dengan pencetakan 3D.^[4]

Periodisitas struktur kristal fotonik harus sekitar atau lebih besar dari setengah panjang gelombang (dalam medium) gelombang cahaya agar efek interferensi dapat muncul. Cahaya tampak memiliki panjang gelombang sekitar 400 nm (ungu) hingga 700 nm (merah) dan panjang gelombang tersebut di dalam suatu material harus dibagi dengan indeks bias rata-ratanya. Oleh karena itu, daerah berulang dengan konstanta dielektrik tinggi dan rendah harus dibuat pada skala ini. Dalam satu dimensi, hal ini secara rutin dilakukan dengan teknik deposisi film tipis.^{[butuh rujukan]}