本发明公开了基于反向优化超结构卷积核的片上光子神经网络，包括N个隐藏层和一个全连接层，所述隐藏层包括依次连接的激光器阵列、电光调制器、超结构卷积核、光电探测器和池化层，所述超结构卷积核包括超结构波分复用器、以及M个级联的超结构光散射单元和移相器，其中，超结构波分复用器用于将光信号被分为m路不同波长范围输出，超结构光散射单元将m路不同波长范围的光信号按比例重新分配功率后从不同的输出端口分别输出，实现卷积运算中不同权重的分配。本发明的片上光子神经网络，具备高带宽、低损耗等优势，且超结构的光子器件经反向设计具有良好性能，可便捷改变器件的目标性能，减少芯片制作时的内部器件需求。