在双包层光纤设计出现之前，为了使基于光纤的放大器和激光器能够实现极高的输出功率，人们通常有两种选择：一是利用有源单模光纤，能够产生衍射极限输出，但但受限于泵浦源的光束质量，通常只能用于低功率光束；二是使用多模光纤，可以轻松实现更高的泵浦功率和输出功率，但光束质量较差。
双包层光纤设计的引入有效解决了这一难题。它使得激光能够在单模或多模纤芯中传播，并且这些纤芯被用于传播泵浦光的内包层所环绕。这种设计让泵浦包层拥有了更广阔的面积和更高的数值孔径，从而能够支持多种不同的光传播模式。即便泵浦源的光束质量不是很高，这种结构也能确保泵浦光有效地从高功率半导体激光管中发射出来。
如上图所示，是一种双包层光纤，信号光被耦合进掺杂的纤芯，而泵浦光则被耦合进内包层。这里的纤芯被设计成D形，以便更有效地吸收泵浦光。
下面是一种基于具有自由空间耦合的双包层光纤的包层泵浦光纤放大器。
在这里，可以采用侧面泵浦技术，这种技术不需要接触光纤末端即可进行泵浦。例如，可以在内包层上切割涂覆的V型槽，用于将泵浦光反射进内包层。在其他情况下，可以利用缠绕在有源光纤周围的额外泵浦光纤来进行泵浦光的耦合。
双包层光纤有多种设计，如下图所示：
最简单的设计是圆形泵包层和中心芯，这类双包层光纤的制造方式与普通纤芯泵浦光纤基本相同，只是采用了合适涂层以获得较大的泵浦包层数值孔径，例如使用D形设计，其中内部覆层的数值孔径可以是约0.28。这在许多情况下已经足够了，但还并不理想，通常聚合物外层可以获得更大的数值。但聚合物包层不能承受非常高的温度，并且可能会给泵浦光带来更高的传播损耗。因此，通常情况下，全玻璃设计通常是高输出功率的首选。
但是，这种设计可能导致泵浦光在纤芯区域形成“空洞”，剩余的泵浦光表现出相当不完全的吸收，即使在更长的距离上也是如此。为了解决这一问题，可以采用非对称设计，如偏心纤芯或非圆形内部覆层，以提高泵浦光的吸收效率。但是非圆形且非中心纤芯形状，又可能导致光纤熔接对准出现问题。
双包层光纤也可以制成光子晶体光纤：
其中多模式泵芯被空气包层中的薄支柱悬挂，以优化模式特性。这种设计具有高数值孔径，降低了对泵浦源亮度的要求，同时提供了良好的机械稳定性和高导热性。
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