各部屋でWifiが使えるホテルが、増えていて。部屋には、ルータが設置されています。では、ルータのその先はどうなっているのでしょうか。ひとつの光回線に、膨大な部屋の数のルータをつなげるのは、かなりムリがあるような気がするのですが。。。

このような装置は使ったことがないので詳細に不明ですが、家庭用のハブでも同じ筈です。
現在光回線で家庭用ハブを使いひとつはネット回線とひかり電話用に、他方はFAX専用回線に利用しています。
分かれた回線毎にルーターを設置しています。
ローカルIDの振り分けはハブが自動的に行っているようです。

我が家では光回線は1回線しか有りません。よって光電話とFAX回線はLANケーブルです。この時点で1回線の光回線を２つに分けるにはハブを使う方法しか有りません。LANケーブルを分岐するにはハブを利用する方法以外は無いと思います。
経路はONU【http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%9B%9E%E7%B7%9A%E7%B5%82%E7%AB%AF%E8%A3%85%E7%BD%AE】からハブ【http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%9B%9E%E7%B7%9A%E7%B5%82%E7%AB%AF%E8%A3%85%E7%BD%AE】からで２つの回線になった後にそれぞれルーターを介して光電話と無線ルータを等してパソコンなどに接続、もう1方はFAX回線としています。
理解される事を期待します。
尚、専門家ではなく、経験と独学なので間違っているかも知れません。

単にハブと呼ばれるものはIPに関わりません。アドレスの割り当てにも関わりません。

色々な機器や方法があるのですが、家庭用機器ですとルータがIPアドレスの割り当てをします。

• ONUにルータ機能がない場合、あっても無効になっている場合、他のルータは外部（プロバイダ）とIPではなくPPPoEを使って通信しますので、IPアドレスを必要としません。
• ONUにルータ機能がある場合、電話やFAXはSIP(IPとは別物ですがIPを使います）を使うことで別にルータを必要とせず、IPアドレスはONUが割り当てます。

ルータよりローカルIPアドレスが振り分けられる

通常、特に家庭用ならそうなります。
実際には様々な機能として分割できますが、特にIPの部分はそれぞれの機能が密接に連携するため、辻褄のあったセッティングとなるようワンストップ化されてブロードバンドルータとして提供されています。
光ファイバの接続や無線部分は接続相手の事もあるので別器機として接続することも多いですが、その際にトラブル事も多いです。ルータ部分の機能を分割するとさらに設定項目が増えトラブルも増えますから、通常分割しません。
業務用でも様々な機能を持った汎用機もありますが、今回のようにwifi機能を特に強化する必要があるとか、ユーザが非常に多いとかだと、その部分だけの高性能な機器を導入して強化できるようになっています。
当然細かなセッティングが必要なので、機器選定も含め専門家に任せる事となります。