随着激光功率的提升,光波导中的热管理问题、应力效应及非线性效应已成为限制激光输出功率和系统稳定性的瓶颈。具有大模场面积的光波导凭借优异的热管理能力、低传输损耗及大功率容限等特性,为高功率激光器的应用和发展开辟了新天地。本文针对大模场光波导亟需解决的关键问题,开展结构设计和理论研究,以设计分析和数值仿真为主要手段,设计并研究了多种单模、大模场输出的光波导。针对高功率固体激光系统的应用,设计了一种大模场晶体脊形光波导,研究了该波导的单模特性和零双折射条件,进而拟合出改进的单模截止判定公式,结果表明该脊形波导在单模条件下,单模模场面积可达到300μm~2。基于耦合模理论提出了一种二维脊波导阵列结构,得到了同相位超模输出并将有效模场面积提升到1136.4μm~2。针对光子晶体平面波导大幅扩展有效模场面积的挑战,提出了一种全固态单模光子晶体平面波导,继而讨论了该波导的双折射效应。在此基础上,采用19单元阵列结构实现了13059μm~2超大单模模场输出。针对高功率激光系统应用,以及大容量高速光通信器件对单偏振态光波导的迫切需求,设计了一种大截面单偏振单模光子晶体平面波导以及阵列结构。经过进一步优化设计,采用五单元光子晶体平面波导阵列实现了模场面积超过2600μm~2的“无截止”单偏振单模运转,并进而在谐振波长处发现了近零泄漏损耗现象。针对光纤波导同时满足单模运转和超大模场输出的需求,提出了一种多辐条芯光纤,研究了结构参数对各阶模式泄漏损耗的影响。进而提出一种单沟槽八辐条芯光纤,计算和分析结果展示该光纤具备了良好的输出光束质量,且模场面积可达9171.5μm~2。针对常规条形波导在色散调控、非线性和模场面积等方面的局限性,设计了一种模场面积相对较大的光子晶体支柱波导。经结构设计优化,该波导实现了具有4个零色散波长点的低而平坦色散曲线分布。继而计算了该波导中的超连续谱产生,结果表明在峰值功率2 k W的近红外泵浦脉冲作用下,理论可实现1-10μm的超宽带光谱展宽。本文的研究结果可为高功率固体激光器和放大器及超连续谱光源的系统设计提供理论参考,用以产生具有良好光束质量的大模场激光输出。